PHẢN ỨNG TÁCH LOẠI
7. TÍNH CHỌN LỌC VÙNG CỦA PHẢN ỨNG TÁCH E2 VÀ E1
7.2. TÍNH CHỌN LỌC VÙNG CỦA PHẢN ỨNG TÁCH E2
Các phản ứng tách mà chúng ta mô tả nhiều bao gồm các chất nền trung hòa điện tích. Tuy nhiên, phản ứng tách còn có chất nền mang điện tích dương. Một loại quan trọng nhất của phản ứng tách loại kiểu E2 xảy ra khi ammonium hydroxide bậc 4 được đun nóng. Sản phẩm là alkene, nước và amine bậc 3.
Ammonium hydroxide bậc 4 có thể được điều chế từ ammonium halide bậc 4 trong dung dịch nước qua việc sử dụng bạc oxide hoặc nhựa trao đổi ion. Bạc halide lắng xuống và bị loại bỏ khi lọc, ammonium halide bậc 4 sau đó thu được nhờ làm bốc hơi nước.
Có thể so sánh quy tắc Saitzev và Hofmann qua hai ví dụ sau:
-166-
Sản phẩm phản ứng của ammonium hydroxide bậc 4 theo quy tắc Hofmann có thể giải thích như sau:
- Nhóm xuất là ammonium, là nhóm cồng kềnh, sản phẩm tách theo quy tắc Hofmann sẽ ưu đãi.
- Nguyên tử N mang điện tích dương, gây ra hiệu ứng rút điện tử rất mạnh (hiệu ứng cảm ứng âm –I), do đó base sẽ tách lấy nguyên tử hydrogen có tính acid nhất. Nguyên tử hydrogen gắn vào carbon bậc 1 có tính acid mạnh hơn.
- Người ta cho rằng, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng tách với chất nền mang điện tích có tính chất carbanion đáng kể (do ammonium là nhóm xuất không tốt, xem thêm phần 5.2.1.2). Khi base tách lấy proton, khuynh hướng xuất của ammonium kém hơn các nhóm xuất khác, điện tích âm hình thành trên nguyên tử carbon mang proton bị tách. Do đó, trạng thái chuyển tiếp mang tính chất carbanion nhiều hơn là tính chất liên kết đôi của alkene. Carbanion hình thành từ phía ít nhóm thế hơn được an định hơn do ít bị ảnh hưởng bởi các nhóm đẩy điện tử +I.
Phản ứng tách Hofmann của amine được dùng để xác định cấu trúc của các hợp chất nitrogen, bao gồm các hợp chất tự nhiên như alkaloid. Mỗi một chuỗi là sự methyl hóa hoàn toàn và phản ứng tách Hofmann phân cắt một liên kết C-N.
-167-
Các muối sulfonium cũng cho sản phẩm tuân theo quy tắc Hofmann:
7.2.1. Phản ứng tách loại HX từ chất nền RX 7.2.1.1 Ảnh hưởng của chất nền
R -C2H5 -CH(CH3)2 -CH2-C(CH3)3
% Hofmann 20% 21% 86%
Có thể giải thích kết quả này dựa vào độ bền của trạng thái chuyển tiếp:
- Trạng thái chuyển tiếp phản ứng tách E2 đưa đến sản phẩm tách Saitzev có 3 tương tác bán lệch (tương tác không nối) giữa CH3 và R’, R’ và Br, R’ và CH3
(trong trường hợp R là –CH(CH3)2)); có hai tương tác bán lệch giữa CH3 và R’, R’
và Br (trong trường hợp R là –C2H5 và –CH2-C(CH3)3, đặc biệt R’ là C(CH3)3 thì tương tác bán lệch này trầm trọng hơn nữa. Do đó, năng lượng hoạt hóa của phản
-168-
ứng tách E2 tăng do trạng thái chuyển tiếp rất kém bền, phản ứng tách Saitzev kém ưu đãi.
- Ngược lại, trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm tách Hofmann tránh được các tương tác bán lệch trên, do đó sản phẩm được ưu đãi.
7.2.1.2 Ảnh hưởng của nhóm xuất Ví dụ 1:
X Br I -OSO2C6H4-CH3-p -+S(CH3)2 -+N(CH3)3
% 1-pentene 31% 30% 48% 87% 98%
Nhận xét: kích thước nhóm xuất X càng cồng kềnh, sản phẩm alkene tuân theo quy tắc Hofmann càng tăng.
Có thể giải thích những kết quả này dựa vào độ bền trạng thái chuyển tiếp.
Chú ý rằng khi mức cồng kềnh của X tăng lên, độ bền trạng thái chuyển tiếp trở nên là yếu tố quyết định hơn là độ bền của sản phẩm.
- Trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm tách theo quy tắc Saitzev có các tương tác không liên kết. Ứng với sản phẩm cis thì TS1a có hai tương tác bán lệch (một của X với C2H5 và một của CH3 với C2H5), với sản phẩm trans thì TS1b có một tương tác bán lệch giữa C2H5 với X. Khi kích thước nhóm xuất X càng cồng kềnh, các tương tác này trầm trọng hơn, làm tăng lực đẩy giữa các nhóm không liên kết,
-169-
năng lượng trạng thái chuyển tiếp gia tăng, vận tốc phản ứng giảm, sản phẩm theo quy tắc Saitzev kém ưu đãi hơn.
- Trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm tách theo quy tắc Hofmann không có tương tác bán lệch nào, do đó khi kích thước nhóm xuất X càng cồng kềnh, sản phẩm theo quy tắc Hofmann trở nên ưu đãi hơn.
Ví dụ 2: Quá trình tách loại HF từ 2-flourohexane (CH3O-/CH3OH) đưa đến 70% sản phẩm 1-hexene, kết quả này cao hơn hẳn các halide còn lại.
Có thể giải thích kết quả này như sau: mặc dù kích thước fluorine nhỏ nhất trong số các halogen, đúng ra sản phẩm tách Saitzev phải chiếm nhiều nhất trong các halogen nhưng kết quả lại trái ngược hẳn. Người ta cho rằng, ion fluoride có tính base mạnh nhất trong số các halogen, do đó là nhóm xuất kém nhất. Khi base tách proton từ chất nền, ion fluoride có khuynh hướng xuất kém đi so với các ion halogen khác. Do đó, điện tích âm hình thành một phần trên nguyên tử carbon mất proton, đưa đến trạng thái chuyển tiếp có đặc tính carbanion cao hơn là alkene. Thông thường, carbanion thì kém bền, nhưng trong trường hợp này thì được làm bền bởi hiệu ứng rút điện tử rất mạnh –I của fluorine. Trong trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm tách Saitzev, có hiệu ứng đẩy điện tử +I của C3H7 nên làm kém an định carbanion hơn là trong trường hợp sản phẩm tách Hofmann.
-170- 7.2.1.3. Ảnh hưởng của base
Ví dụ 1:
Ví dụ 2:
Ví dụ 3:
-171-
Nhận xét: kích thước base càng cồng kềnh, sản phẩm alkene tuân theo quy tắc Hofmann càng tăng.
Có thể giải thích kết quả này như sau (xét ví dụ 3):
- Khi kích thước của base càng cồng kềnh, việc tách một hydrogen bậc 2 (từ C3 của chất nền) bị cản trở về lập thể hay gắt hơn là hydrogen của nhóm methyl (nằm phía ngoài cùng, lộ ra, dễ bị tách hơn).
- Kích thước base càng cồng kềnh, năng lượng trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm có tính bền cao hơn (sản phẩm Saitzev) sẽ gia tăng bởi sự gia tăng tương tác lập thể hơn là trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm có tính bền thấp hơn (sản phẩm Hofmann). Như vậy sản phẩm chính là sản phẩm có tính bền nhiệt động học thấp hơn, hay là sản phẩm tuân theo quy tắc Hofmann.
- Có thể mô tả sự chọn lọc sản phẩm ưu đãi bởi hình chiếu Newman trong trạng thái chuyển tiếp như sau: trạng thái chuyển tiếp đưa đến sản phẩm theo Hofmann có hai tương tác không liên kết, trong khi với Saitzev có ít nhất là ba tương tác không liên kết. Do đó, trạng thái chuyển tiếp TSSaitzev kém bền hơn TSHofmann.
-172-
- Giản đồ năng lượng khi sử dụng hai base khác nhau:
Làm cách nào để phản ứng tách E2 lệch khỏi quy tắc Saitzev?