PHẢN ỨNG CỘNG VÀO LIÊN KẾT ĐÔI C=C
2. PHẢN ỨNG CỘNG ELECTROPHILE VÀO LIÊN KẾT ĐÔI C=C
2.1. Phản ứng cộng tác nhân đối xứng
2.1.1. Phản ứng cộng halogen X2
2.1.1.1. Giới thiệu
Alkene phản ứng dễ dàng với bromine và chlorine trong dung môi không có tính nucleophile để tạo ra vic-dihalide.
Phản ứng này có ích lợi trong quy trình công nghiệp vì 1,2-dichloroethane được dùng làm dung môi và được dùng để điều chế ra vinyl chloride, nguyên liệu đầu để tạo ra poly vinylchloride.
-211-
Bromine có thể được dùng làm thuốc thử kiểm tra các liên kết đa carbon- carbon. Khi thêm bromine vào alkene hay alkyne, màu nâu đỏ của bromine biến mất nếu dùng lượng thừa alkene hay alkyne.
2.1.1.2. Cơ chế phản ứng và hóa học lập thể a/ Cơ chế phản ứng và sự định hướng
Có đề nghị cho rằng cơ chế phản ứng cộng X2 (X = Cl, Br) vào alkene đi qua trung gian carbocation, tương tự như phản ứng cộng HX vào alkene:
Tuy nhiên, cơ chế này không giải thích được hóa học lập thể của một vài (chứ không phải tất cả) phản ứng là cộng anti. Ví dụ, phản ứng cộng Br2 vào cyclopentene, tạo thành sản phẩm là trans-1,2-dibromocyclopentane chứ không phải là cis-1,2-dibromocyclopentane.
-212-
Cơ chế của phản ứng có thể được mô tả như sau (chú ý rằng phân tử Br2 tiến đến liên kết đôi C=C có thể từ phía trên hoặc từ phía dưới mặt phẳng liên kết đôi):
Với cyclohexene, phản ứng đi qua cấu trúc trung gian sau để tạo thành sản phẩm nhị trục 1,2-dibromide, sau đó nghịch chuyển thành 1,2-nhị xích đạo:
-213-
Mặc dù cấu trúc ion cầu bromonium có phần khác lạ do bromine có đến hai liên kết nhưng nó vẫn thỏa mãn cấu trúc của Lewis. Cấu trúc này có các dạng cộng hưởng mở vòng như sau (đóng vai trò quan trọng).
Xét phản ứng của cyclopentene với Br2/CCl4. Ion bromide tác kích vào cả hai carbon đồng đều như nhau vì trung gian bromonium vòng có mặt phẳng đối xứng.
Xét phản ứng của cyclohexene với Br2/CCl4:
-214-
Xét phản ứng của (R)-4-tert-butylcyclohexene với Br2/CCl4, chú ý rằng sản phẩm có hai nguyên tử bromo ở vị trí nhị trục, chúng không thể nghịch chuyển qua một cấu trạng với hai nguyên tử bromo ở vị trí nhị xích đạo vì nhóm tert-butyl luôn chiếm vị trí xích đạo.
Phản ứng của cis- và trans-2-butene với Br2/CCl4:
-215-
Tốc độ phản ứng của phản ứng cộng Br2 vào alkene:
-216-
Hiệu ứng đồng vị: kH/kD = 0.5 cho thấy các carbon của liên kết đôi có sự lai hóa lại, chuyển từ sp2 sang sp3.
Phương trình động học tổng quát:
v = k1[alkene].[Br2] + k2[alkene].[Br2]2 + k3[alkene].[Br2].[Br-]
- Trong methanol và nồng độ ion Br- lớn, phương trình động học giả bậc hai:
v = k3[alkene].[Br2].[Br-]
- Trong dung môi không phân cực, phương trình động học là bậc ba:
v = k1[alkene].[Br2] + k2[alkene].[Br2]2
-217-
Trường hợp phản ứng xảy ra theo kiểu cộng syn: với hệ thơm có nhóm đẩy điện tử, người ta quan sát được cơ chế đi ngang qua cặp ion vì khi đó carbocation tạo thành được làm bền.
-218-
b/ Giải thích cơ chế phản ứng theo thuyết FMO (Frontier Molecular Orbital) Để hiểu phản ứng này cũng như các phản ứng tương tự, bạn phải nhớ đến độ phản ứng xét theo khía cạnh nucleophile và electrophile. Khi gặp một phản ứng mới, bạn phải tự đặt câu hỏi “Tác nhân nào là nucleophile, tác nhân nào là electrophile?”
Rõ ràng là cả alkene và bromine đều không mang điện tích nhưng Br2 có năng lượng orbital trống thấp (* Br-Br), do đó nó là electrophile. Liên kết Br-Br yếu khác thường và nguyên tử bromine phản ứng với nucleophile theo kiểu sau:
Như vậy, alkene là nucleophile, và HOMO của nó là liên kết C=C. Chú ý rằng, khi alkene có sự liên hợp với nhóm carbonyl, nó sẽ đóng vai trò là electrophile.
Khi alkene phản ứng với Br2, orbital chất đầy (HOMO) sẽ tương tác với orbital phản liên kết trống * (LUMO) của bromine tạo thành sản phẩm. Mật độ điện tử cao nhất của orbital nằm ở giữa, giữa hai carbon và đây là vị trí chúng ta mong đợi bromine tấn công vào.
-219-
Giai đoạn sau, sự tấn công của ion Br- vào ion bromonium là phản ứng thế SN2 thông thường. HOMO của bromide và * của một trong hai nguyên tử carbon liên kết với bromine trong vòng ba căng. Như phản ứng SN2, nucleophile duy trì sự xen phủ cực đại với * bởi sự tiến đến từ phía đối diện với nhóm xuất, kết quả đưa đến sự nghịch chuyển cấu hình tại tâm carbon bị tác kích.
c/ Phản ứng có tính đặc thù lập thể
Xem lại khái niệm đặc thù lập thể ở phần 2.1.2.4 chương phản ứng tách loại.
Phản ứng của cis-2-butene và trans-2-butene (là hai xuyên lập thể phân) khi phản ứng với Br2/CCl4 cho những sản phẩm khác nhau. Sản phẩm của cis-2-butene là (2R, 3S)-2,3-dibromobutane, là hợp chất meso. Trong khi sản phẩm của trans-2- butene tạo ra hỗn hợp các đối phân. Cơ chế hình thành sản phẩm:
-220-
2.1.1.3. Phản ứng cộng Br2 vào liên kết đôi tiếp cách và sự cộng không đối xứng Sự thay đổi điều kiện sẽ đưa đến kết quả có sự khác nhau. Nếu phản ứng thực hiện tại nhiệt độ thấp, phản ứng tạo thành sản phẩm 1,2-dibromide, là sản phẩm động học. Khi đun nóng, sản phẩm nhiệt động học 1,4-dibromide được tạo thành
Cơ chế phản ứng hình thành sản phẩm 1,2-:
-221-
Sản phẩm 1,2- có thể cho phản ứng xa hơn: phản ứng thế nucleophile, ở đó bromine vừa là nucleophile, vừa là nhóm xuất. Phản ứng này tạo ra sản phẩm 1,4-, chỉ khi đun nóng. Sản phẩm 1,4- hình thành dưới điều kiện này có tính bền cao hơn sản phẩm 1,2-:
Khi sự bromo hóa được thực hiện với sự có mặt của dung môi có tính nucleophile như nước hay methanol, ví dụ phân tử dung môi cạnh tranh với bromine mở vòng ion bromonium. Alcohol thì có tính nucleophile kém hơn Br- nhưng nồng độ của dung môi thì cao (nhớ lại, nồng độ của nước-trong nước là 55M). Xét phản ứng của isobutene với bromine/methanol, ether được tạo thành bởi sự tấn công của methanol tại vị trí có nhiều chướng ngại hơn.
Methanol tấn công vào vị trí bị cản trở không gian mạnh nhất, có thể vì có một vài ảnh hưởng có tác động mạnh hơn là chướng ngại lập thể. Cùng xem xét lại giả định ion bromonium mở vòng theo cơ chế SN2: thực sự rất khó. Vì tâm carbon bậc 3, như vậy ta mong đợi nó xảy ra theo cơ chế SN1 hơn, tạo ra cation. Cation tạo thành có thể được làm bền bởi sự hình thành ion bromonium vòng 3, nếu điều này xảy ra, chúng ta quay trở lại nơi bắt đầu: cơ chế SN2!
-222-
Câu trả lời cho vấn đề trên cũng khá hóc búa: cơ chế không thuần chất SN1 hay SN2 mà là cơ chế giới hạn: nằm giữa hai cơ chế SN1 và SN2. Có thể lúc nhóm xuất bắt đầu đi ra, tạo điện tích dương một phần trên carbon, vị trí đó bị “chặn đứng”
bởi tác nhân nucleophile. Điều này đưa ra cách giải thích tốt nhất cho những gì đang xảy ra. Sự ra đi của nhóm xuất từ (a) ưu tiên hơn là (b) vì có các nhóm thế làm bền điện tích dương. Có một liên kết C-Br dài hơn và phân cực hơn liên kết C-Br kia.
-223-
Nucleophile bây giờ có sự lựa chọn: hoặc là nó tấn công vào nơi ít cản trở không gian nhất hoặc là nơi có cản trở không gian nhiều nhất. Trường hợp sau ưu thế hơn vì trạng thái chuyển tiếp có điện tích dương đáng kể trên carbon, và được xem là trạng thái chuyển tiếp SN2 lỏng lẻo.
Tương tự, xét ví dụ sau:
2.1.1.4. Phản ứng cộng Br2 và Cl2 vào alkyne
Phản ứng cộng có thể xảy ra một hoặc hai lần, tùy thuộc vào đương lượng mol của halogen sử dụng.
Để điều chế dihaloalkene, chỉ sử dụng một đương lượng mol halogen:
Phản ứng với một đương lượng mol Br2 hay Cl2 sẽ đưa đến sự cộng anti hay tạo thành trans-dihaloalkene.
-224- 2.1.2. Sự hình thành halohydrin
2.1.2.1. Giới thiệu
Khi sự halogen hóa alkene được thực hiện trong dung dịch nước, hơn là dung môi không có tính nucleophile, sản phẩm chính là halohydrin (còn gọi là halo alcohol) thay vì vic-dihalide.
Phân tử nước phản ứng với ion halonium trung gian ưu đãi hơn nucleophile vì chúng có nồng độ cao (vì là dung môi). Do đó, sản phẩm chính là halohydrin. Nếu halogen là bromine, sản phẩm là bromohydrin; còn nếu là chlorine, sản phẩm là chlorohydrin.
2.1.2.2. Cơ chế phản ứng
Với alkene đối xứng, sản phẩm là hỗn hợp tiêu triền (racemic). Nếu alkene không đối xứng, sản phẩm chính tương ứng với nguyên tử halogen gắn vào carbon của liên kết đôi có số lượng nguyên tử hydrogen nhiều hơn.
-225-
Xét trường hợp sau, ion bromonium vòng tạo thành không đối xứng. Nguyên tử carbon của vòng có nhiều nhóm thế hơn mang điện tích dương lớn hơn vì nó có sự tương đồng với carbocation bền hơn. Do đó, nước tấn công vào carbon này ưu đãi hơn. Điện tích dương nằm trên carbon bậc 3 cho phép đi theo hướng có năng lượng hoạt hóa thấp hơn dù sự tấn công vào carbon này thì gặp cản trở không gian hơn.
Phản ứng phụ thuộc vào điều kiện pH:
Iodine có thể phản ứng dưới điều kiện HOX, đây là phương pháp thường dùng nhất với sự tham gia của nucleophile nội phân tử.
Một nhược điểm của phản ứng là các phân tử hữu cơ kém tan trong nước. Để khắc phục điều này, người ta trộn thêm vào phản ứng dung môi hữu cơ như DMSO và sử dụng N-bromosuccinimide (NBS) như là nguồn electrophile.