Tốc độ phản ứng thế có thể được gia tăng hoặc kìm hãm bởi sự hiện diện của một số nguyên tử, nhóm chức ở gần kề tâm phản ứng. Đó là kết quả của hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng trường hay hiệu ứng cộng hưởng. Những hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt khi những nhóm kế cận có đôi điện tử không liên kết có thể tham gia vào sự hình thành trạng thái chuyển tiếp.
Sự tham gia của các nhóm với đôi điện tử không liên kết liền kề với tâm phản ứng đưa đến kết quả hình thành cấu trúc vòng có thể bền (epoxide, sulfide, imine) hoặc vòng nhỏ kém bền (thường mang điện tích như ion halonium). Nhóm kề chỉ tham gia hoạt động khi kích thước vòng phải phù hợp cho Z (tùy từng trường hợp của Z). Chẳng hạn, MeO(CH2)nOBs, nhóm kề chỉ tham gia khi n = 4, 5 (tương ứng với trung gian vòng năm và vòng sáu) nhưng không áp dụng cho n = 2, 3 và 6. Kích thước vòng tối ưu thì không đúng cho mọi phản ứng. Tổng quát, sự ưu đãi: vòng năm > vòng ba > vòng sáu > các vòng khác.
Tổng quát, các nhóm có thể đóng vai trò là nhóm kề: COO- (không có COOH), COOR, COR, OCOR, OR, OH, Ph, O-, NH2, NHR, NR2, NHCOR, SH, SR, S-, SO2Ph, (I- > Br- > Cl-).
Phản ứng giữa chất nền và tác nhân nucleophile Y từ bên ngoài làm giảm năng lượng entropi kích hoạt nhiều (S‡) vì so với lúc đầu, các tác chất có độ tự do kém hơn trong trạng thái chuyển tiếp. Nếu Z (nhóm kề trong phân tử) tham gia, độ giảm S‡ sẽ ít hơn.
Đôi điện tử có tính nucleophile của nhóm kề có thể lả đôi điện tử sp3/sp2 không liên kết, liên kết , thậm chí là cả liên kết (hình thành carbocation không cổ điển).
-83-
Het: hetheroatom: dị nguyên tử
Trong sự trợ giúp của nhóm kề (anchimeric assistance), trạng thái chuyển tiếp vòng ba được hình thành. Sự tham gia của nhóm kề như một tác nhân nucleophile qua trạng thái trung gian vòng và sau đó là sự tấn công từ tác nhân nucleophile ở ngoài đưa đến sản phẩm cuối cùng có sự lưu giữ cấu hình (có thể xem phản ứng bao gồm hai quá trình nghịch chuyển SN2). Chẳng hạn, chất nền threo sẽ đưa đến sản phẩm threo và erythro sẽ cho sản phẩm erythro.
-84-
Trong phản ứng có halogen làm nhóm kề: ví dụ phản ứng của 3-bromobutan- 2-ol với HBr, ion bromonium vòng được hình thành, sự tấn công ion bromide vào ion bromonium hình thành từ chất nền threo đưa đến sản phẩm là racemic threo-2,3- dibromobutane trong khi chất nền erythro đưa đến sản phẩm là erythro-2,3- dibromobutane (meso).
Hóa học lập thể các hợp chất vòng ảnh hưởng mạnh đến tốc độ phản ứng. Ví dụ, trans-1-iodocyclohexan-2-ol tosylate phản ứng nhanh hơn 106 lần đồng phân cis.
Điều này được giải thích do trong đồng phân trans, iodine ở vị trí nhị trục với tosylate (nhóm xuất), thuận lợi cho việc đẩy nhóm xuất tosylate đi ra. Trong đồng phân cis, tốc độ phản ứng chậm do không có sự tham gia của nhóm kề iodine.
-85-
Sulfur, oxygen và nitrogen cũng là những nhóm đóng vai trò là nhóm kề.
Nhóm kề alcohol: phương pháp điều chế epoxide quan trọng đi từ trans- halohydrin khi xử lý với base. Ngoài ra, epoxide có thể được điều chế khi đi từ alkene và peroxide, peroxyacid hay một số oxo kim loại (xúc tác Jacobsen). Sự mở vòng epoxide cũng đi qua cơ chế trans.
Quy tắc Fürst-Plattner:
Sự mở vòng epoxide của chất nền vòng no, cả nucleophile và nhóm hydroxyl ban đầu đều nằm ở vị trí nhị trục.
-86-
Quy tắc này cũng áp dụng cho sự thủy phân.
Acid carboxylic là nhóm kề: sự phân cắt do thủy phân của -haloacid đưa đến sự hình thành -lacton. Hóa học lập thể của sản phẩm mở vòng phụ thuộc vào điều kiện khác nhau.
Ester và amide của acid carboxylic là nhóm kề:
Phenyl (aryl) đóng vai trò là nhóm kề (ion phenonium): có sự tham gia các điện tử của vòng thơm.
-87-
Điện tử của liên kết C=C đóng vai trò là nhóm kề: liên kết C=C nếu có định hướng thích hợp, có thể tham gia với vai trò tác nhân cho điện tử, làm quá trình ion hóa xảy ra dễ dàng. Ví dụ xét trường hợp sau:
Đồng phân anti A phản ứng nhanh hơn đồng phân B đến 1011 lần do hệ điện tử đóng góp vào orbital phản liên kết của liên kết C-OTs, đồng thời điện tích dương của carbocation được phân tán. Phản ứng SN1 xảy ra với sự lưu giữ cấu hình.
-88-
Trong trường hợp đồng phân syn, phản ứng xảy ra chậm hơn so với đồng phân anti đến 107 lần. Phản ứng xảy ra sự chuyển vị và làm bền điện tích dương một phần tương tự như hệ allyl.
Liên kết sigma đóng vai trò là nhóm kề và carbocation không cổ điển: aceto giải hợp chất quang hoạt 2-norbonyl sulfonate đưa đến kết quả ngoài sự mong đợi.
Sự aceto giải cả hai đồng phân exo và endo đưa đến cùng một sản phẩm acetate tiêu triền.
Sự aceto giải được đề nghị đi ngang qua carbocation. Sự tiêu triền hóa và hóa học lập thể giống nhau cho thấy carbocation là đối xứng. Hóa học lập thể của hệ norbonyl và carbocation không cổ điển: hệ norbonyl là không đối xứng trong khi carbocation là đối xứng.
-89-
Tương tự, aceto giải hợp chất bicyclo[2.2.2]octyl brosylate đưa đến hai sản phẩm hoạt động quang học.
Sản phẩm B hình thành với 80% lưu giữ cấu hình. Cơ chế được đề nghị trải qua trạng thái chuyển tiếp không đối xứng. Carbocation cổ điển là không đối xứng trong khi carbocation không cổ điển thì đối xứng.
Có nhiều carbocation không cổ điển được mô tả trong các tài liệu, trong đó có ví dụ sau: cation cyclopropylmethyl có thể cùng tồn tại dưới dạng cation cyclobutyl và cyclopropylmethyl. Tốc độ của sự thế vào hệ cyclopropylmethyl rất cao vì sự làm bền đồng đều của carbocation với các cấu trúc cộng hưởng.
Dạng hình học bền nhất của cation cyclopropylmethyl là cấu trạng bisect (chia đôi, cắt làm hai):
-90-
Cation cyclopropylmethyl được hình thành có thể sắp xếp lại (chuyển vị) thành hai dạng đồng phân khác của cation cyclopropylmethyl:
Sự chuyển vị này hoàn toàn được mong đợi đi đến cation cyclobutyl không phẳng như là chất trung gian hay trạng thái chuyển tiếp. Có thể mô tả bức tranh toàn cảnh về sự phức tạp này:
Tóm tắt
Có khá nhiều ion không cổ điển đã được mô tả với mục đích là để chứng minh các ion không cổ điển hiện diện khá nhiều trong hóa học hữu cơ và giải thích một số phản ứng mà ion cổ điển không thể. Tuy nhiên, điều quan trọng cần chú ý là không có ranh giới rõ ràng giữa ion cổ điển và không cổ điển. Như trường hợp ion cyclopropylmethyl, có thể tồn tại một cân bằng với ion cyclobutyl không phẳng. Khi xét cơ chế phản ứng, phải xét đến tất cả các dạng của ion.
-91- Cơ chế nhóm kề và sự chuyển vị:
- Methyl là nhóm chuyển vị: hệ neopentyl phân ly trong dung môi luôn đi đến sự chuyển vị. Nghiên cứu đồng vị đã xác nhận nhóm xuất OTs đi ra và sự dịch chuyển methyl là quá trình phối hợp (sự khác biệt ở chỗ hình thành C+ và sự chuyển vị). Trạng thái có sự dịch chuyển một phần nhóm methyl ở ví dụ dưới giống chất trung gian hơn trạng thái chuyển tiếp vì một hàm lượng nhỏ dẫn xuất cyclopropane được tìm thấy trong hỗn hợp phản ứng (chú ý cyclopropane hình thành khi mất H+).
- Hydrogen là nhóm chuyển vị. Xét ví dụ sau:
Nếu phản ứng không có sự tham gia của nhóm kề H, chỉ có duy nhất sản phẩm thứ nhất được tạo thành. Mặt khác, nếu H chuyển vị nhưng chỉ tạo ra carbocation mà không qua trạng thái vòng, sẽ có cân bằng giữa các dạng carbocation:
-92-
Rõ ràng, điều này không xảy ra vì thực tế thu được tất cả bốn sản phẩm trifluoroacetate. Các kết quả này có thể giải thích dễ dàng bởi carbocation vòng có cầu H của cấu trúc sau hoặc sự dịch chuyển đồng thời của trifluoroacetate và hydride:
Sự chuyển vị H ở một số vòng trung bình: chuyển vị 1,5-hydride
-93-