PHẢN ỨNG TÁCH LOẠI
4.1. Cơ chế phản ứng
Trái ngược với phản ứng E1 đi ngang qua trung gian carbocation, phản ứng E1cb đi qua trung gian carbanion. Dưới tác dụng của base, việc tách proton sẽ hình thành carbanion, ngay lập tức sẽ đẩy nhóm xuất trên nguyên tử carbon kế cận.
Phản ứng E1cb thường dùng cho các chất nền có nhóm xuất kém như –OH.
Nhóm xuất kém không ưu đãi các phản ứng tách E1 và E2. Tuy nhiên, trong phản ứng E1cb, nhóm X (carbonyl, nitro,...) giúp cho nguyên tử hydrogen kế cận có tính acid bất thường, bởi sự an định do cộng hưởng của trung gian carbanion.
Xét phản ứng sau :
- Bước 1 : proton trong phản ứng tách liền kề nhóm carbonyl và do đó nó có tính acid (pKa khoảng 20). Có nghĩa là, base có thể tách nó mà không cần đến nhóm xuất tách ra. Anion hình thành đủ bền để tồn tại do sự cộng hưởng với nhóm carbonyl. Giai đoạn này xảy ra nhanh.
-141-
- Bước 2 : nhóm xuất đi ra để hình thành alkene. Giai đoạn này quyết định tốc độ phản ứng. Phản ứng tách này không đi từ phân tử chất nền mà từ base liên hợp của phân tử chất nền, vì vậy phản ứng này còn được gọi là E1cb (cb : conjugate base tức base liên hợp).
Cơ chế E1cb xảy ra với chất nền có cơ cấu chung : Z-CH2-CH2-X với X là nhóm xuất kém như –OH, -OR, -Oar ; Z là các nhóm giúp an định carbanion (rút điện tử) như >C=O, -NO2, -CHO, -CN, -Ph, -SO2Ar ; ngoài ra cần sự hiện diện của base mạnh như HO- đậm đặc, NaNH2, BuLi, PhLi,... Cơ chế có thể được mô tả tổng quát như sau :
Cơ chế E1cb chỉ xảy ra khi có ít nhất một nhóm rút điện tử (EWG:
electron-withdrawing group) liền kề với liên kết C-H bị phân cắt. Hiệu ứng rút điện tử giúp tăng tính acid của liên kết liền kề C-H và làm bền base liên hợp.
-142- Xét một số ví dụ:
Ví dụ 1:
Ví dụ 2:
Phản ứng đầu giống E1, phản ứng sau giống E2. Nhưng thực tế cả hai phản ứng đều là E1cb.
Ví dụ 3: phản ứng sau hình thành ra butenolide là cấu trúc phổ biến xuất hiện trong các hợp chất tự nhiên.
-143- Ví dụ 4:
Biểu thức tốc độ phản ứng E1cb:
- Giai đoạn quyết định tốc độ trong phản ứng E1cb là đơn phân tử, vì vậy có thể nghĩ rằng nó theo động học bậc 1. Nhưng, thực tế cho thấy tốc độ còn phụ thuộc vào base. Vì phản ứng tách đơn phân tử bao gồm anion-mà nồng độ của nó lại phụ thuộc vào nồng độ của base.
-144-
- Chú ý rằng, base xuất hiện trong biểu thức tốc độ không có nghĩa là nó tham gia trong giai đoạn quyết định vận tốc phản ứng. Sự gia tăng nồng độ của base khiến vận tốc phản ứng tăng nhanh hơn vì làm gia tăng lượng anion có mặt để tham gia phản ứng tách.
Đối với những phản ứng có một vài giai đoạn mà giai đoạn quyết định tốc độ không phải xảy ra đầu tiên, nồng độ của các tiểu phân có mặt trong các giai đoạn đầu sẽ xuất hiện trong biểu thức tốc độ mặc dù nó không tham gia trong giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng.
Tổng quát, có thể xét 4 trường hợp sau:
TH1: k1 >> k-1, k2 và [B-] >> [RH]:
Giả bậc 1, tất cả RH chuyển thành carbanion. Phản ứng này gọi là phản ứng giống đơn phân tử (quasi-monomolecular). Sự trao đổi đồng vị nhanh, C-H kH/kD ~ 1, hiệu ứng nhóm xuất đáng kể.
v k[RH]
Ví dụ : phản ứng Knoevenagel của -nitroalcohol.
TH2: k-1 k1, k-1[BH] >> k2: thuận nghịch (E1cb R)
[ ][ ]
[ ][ ]
[ ]
1 2
bs 1
k k RH B
v k B RH
k BH
nếu BH là dung môi
Nếu [B-]/[BH] là hằng số, tốc độ phụ thuộc vào base xúc tác base đặc trưng. Sự trao đổi đồng vị C-H kH/kD ~ 1, hiệu ứng nhóm xuất nhỏ.
-145-
TH3: k-1 k1, k-1[BH] >> k2: thuận nghịch (E1cb ip)
Tương tự E1cb R, nhưng không có anion tự do hình thành, cặp ion hình thành với base proton hóa như là cation đối tác.
kH/kD ~ 1-1.2, không có trao đổi đồng vị.
TH4: k2 >> k-1[BH] >> k1 (E1cb i): không thuận nghịch v = k[RH][B-] (bậc 2)
Sự trao đổi đồng vị nhỏ kH/kD = 2-8
Phản ứng E1cb tạo ra nguyên liệu enone cho phản ứng cộng nucleophile vào hệ liên hợp C=C-C=O.
-146-
4.2. Ranh giới giữa các phản ứng E2, E1, E1cb. Tính chọn lọc vùng của phản ứng E1cb
Phản ứng tách E1cb: tách proton trước khi nhóm xuất đi ra.
Phản ứng tách E2: tách proton và nhóm xuất đi ra cùng một lúc.
Phản ứng tách E1: nhóm xuất đi ra trước khi tách proton.
Trạng thái chuyển tiếp của các cơ chế này có thể mô tả như sau, trong đó nhóm xuất thay đổi từ bản chất kém sang tốt khi đi từ cơ chế E1cb sang E1.
-147-
Với phản ứng E1cb, tính chọn lọc vùng không phức tạp. Vị trí của liên kết đôi được xác định bởi vị trí của: (a): tính acid của proton và (b): nhóm xuất.
Phản ứng E1cb có thể có chọn lọc lập thể. Ví dụ phản ứng trên tạo thành đồng phân E ưu đãi hơn. Trung gian anion thì phẳng, vì vậy hóa học lập thể của chất nền không liên quan. Sản phẩm có ít chướng ngại không gian hơn sẽ ưu đãi. Trong ví dụ sau, liên kết đôi có cấu hình E, E.
-148- Trường hợp không mong muốn:
Phản ứng này có vẻ đơn giản: sự hình thành amide với sự có mặt của base.
Tuy nhiên, nó không xảy ra theo cơ chế thông thường mà qua cơ chế E1cb.