mỘt sỐ cƠ chẾ phẢn Ứng cƠ bẢn trong hoÁ hỮu cƠ

8/10/2019 MỘT SỐ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CƠ BẢN TRONG HOÁ HỮU CƠ

http://slidepdf.com/reader/full/mot-so-co-che-phan-ung-co-ban-trong-hoa-huu-co 1/65

1

TRƯỜ NG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM HÓA HỌC----------

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌCChuyên ngành: Sư phạm Hóa học

Đề tài

MỘT SỐ CƠ CHẾ PHẢN Ứ NG CƠ BẢN

TRONG HOÁ HỮ U CƠ

Giáo viên hướ ng d ẫ n: Sinh viên thự c hiện:

ThS. Thái Th ị Tuyế t Nhung Trầ n Thành Hiế u

MSSV: 2102159

Lớ p: HS1009A1

(SP Hóa H ọ c K.36)

C ầ n Thơ , 2014

WWW.DAYKEMQUYNHON.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON



2

MỞ ĐẦU

Hoá học hữu cơ là ngành khoa học, về những tính chất, cấu trúc, thành phần, phản

ứng và cách tổng hợ p hợ p chất hữu cơ . Nhiệm vụ cơ bản của hoá hữu cơ là: nghiên cứu

tổng hợ p các hợ p chất hữu cơ và tách biệt các sản phẩm hữu cơ , nghiên cứu xác định cấu

trúc hợ p chất hữu cơ , nghiên cứu tính chất và cơ chế phản ứng của các hợ p chất hữu cơ .

Trong đó nghiên cứu về cơ chế phản ứng là một trong những mảng quan trọng của hoá

hữu cơ .

Để giúp các bạn có những hiểu biết về mãng này nên tôi chọn đề tài “Một số cơ

chế cơ bản trong hoá hữu cơ ”

2. M ụ c đ ích đề tài

Nhằm bồi dưỡ ng học sinh cho các kỳ thi học sinh giỏi của cấp phổ thông trung

học.





3

NỘI DUNG

ĐẠI CƯƠ NG VỀ HOÁ HỮ U CƠ I. PHẢN Ứ NG HỮ U CƠ

1.Phản ứ ng thế (substitution reaction):

Là phản ứng trong đó một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử đượ c thay thế bở i

một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác. Đây là phản ứng đặc trưng của cho hợ p chất no

như alkan hoặc alkyl halide hoặc hợ p chất không no như hyđrocacbon thơ m.

Ví dụ:

H3C Cl Na+OH- H3C OH + Na+Cl-H2O

2. Phản ứ ng cộng (addition reaction):

Là phản ứng kết hợ p hai phân tử tác chất để tạo thành một sản phẩm. Đây là phản

ứng đặc trưng của hợ p chất có lien kết Π. Trong phản ứng cộng, tất cả các phần của tác

nhân cộng đều hiện diện trong sản phẩm.

Ví dụ:

C C

H

H

H

HBr Br H C C H

Br H

BrH

CCl4+

3.Phản ứ ng tách (elimination reaction)

Là phản ứng ngượ c lại vớ i phản ứng cộng. Trong phản ứng tách, phân tử tác chất

sẽ mất đi (tách, loại trừ) một phân tử để tạo thành một phân tử mớ i nhỏ hơ n. Đây là phản

ứng dung để điều chế hợ p chất chưa no.

Ví dụ: Phản ứng dehydrohalogen hoá (dehydrohalogenation) alkyl halide (RX).

Trong phản ứng này, một phân tử hydrogen halide (HX) đượ c loại trừ và alkyl halide trở

thành alkene.

C C

H

Br

H

H

H

HKOH

HBrC C

H

H

H

H





4

4. Phản ứ ng sắp xếp (rearrangement reaction)

Là phản ứng trong đó xảy ra sự sắp xếp lại các lien kết trong phân tử tác chất. Kết

quả của phản ứng loại này là tạo ra một đồng phân mớ i trong khi tổng số lien kết trong

phân tử không thay đổi.

Ví dụ: Sự đồng phân hoá 3,3-dymetyl-1butene thành 2,3-dimetyl-2-butene trong

môi trườ ng acid:

C CH

H

H

CH3C

H3CCH3

C CCH3

CH3

CH3

CH3

H+

Tuy nhiên trong thực tế, đa số các phản ứng hữu cơ xảy ra là kết quả của phản ứng kết

hợ p của hai hay nhiều phản ứng nói trên.

R CO

OCH3

NH3R C

OHOCH3

CH2

CH3OHR C

O

NH2

+

Ester Amide

II. CƠ CHẾ PHẢN Ứ NG

1. Cơ chế phân cự c (polar mechanism)

Còn đượ c gọi là cơ chế ion. Đây là loại cơ chế phổ biến nhất. Theo cơ chế này, phản

ứng xảy ra là kết quả tươ ng tác giữa một chất giàu điện tử (chất thân hạch, nucleophile)

và một chất thiếu điện tử (chất thân điện tử, electrophile). Liên kết hoá học đượ c hìnhthành do sự xen phủ của một orbital đầy điện tử của chất thân hạch và orbital trống của

chất thân điện tử. Theo cơ chế này, tác chất hoặc chất trung gian hoặc sản phẩm thườ ng

là ion hoặc những phân tử trung hoà về điện có chứa liên kết cộng hoá trị phân cực. Phản

ứng thế giữa methyl chloride và ion hydroxide (-OH), phản ứng cộng bromine vào

ethane,… là những ví dụ cho cơ chế phân cực.

2. Cơ chế gốc tự do (radical mechanism)

Là loại cơ chế trong đó chất trung gian mang điện tử lẻ (điện tử độc than không

ghép đôi) hay còn gọi là gốc tự do (free radical, radical).

Ví dụ: Phản ứng halogen hoá alkane, đa số các phản ứng polymer hoá…

3. Cơ chế đồng bộ (pericyclic mechanism)

Là phản ứng không xảy ra sự cắt đứt lien kết mà chỉ có sự sắp xếp lại các orbital

lien kết.

Ví dụ: Các phản ứng hợ p vòng





5

δ+ δ−

III. SỰ CẮT ĐỨ T NỐI CỘNG HÓA TRỊ TRONG HÓA HỮ U CƠ

1. Sự dị ly

Sự dị ly (heterolysis) xảy ra khi một trong hay nguyên tử liên kết lấy đi cả hai điện

tử liên kết.

A B A B

Sự dị ly thườ ng xảy ra đối vớ i liên kết cộng hoá trị phân cực. Đó là những liên kết đượ c

hình thành giữa hai nguyên tử của hai nguyên tố có độ âm điện khác nhau. Sự khác nhau về độ

âm điện càng lớ n, lien kết càng phân cực, sự dị ly càng dễ xảy ra dễ dàng.

Do có sự hình thành hai ion tích điện trái dấu (A+ và B-) nên sự dị ly thườ ng cần một tác

nhân hổ trợ để có thể tách rờ i hai ion đó. Tác nhân hổ trợ có thể là một tiểu phân có cặp điện tử

tự do có thể tươ ng tác vớ i phân tử phân cực dươ ng trong liên kết:

Y A B Y A B

2. Sự đồng ly

Sự cắt đứt liên kết hoá trị theo kiểu đồng ly (homolysis) xảy ra khi mỗi nguyên tử

liên kết lấy đi một trong hai điện tử của lien kết ban đầu tao ra hai tiểu phân mang điện tử

độc thân đượ c gọi là gốc tự do hay gốc hoá học (free radical, radical):

A:B A + B

Năng lượ ng cần thiết cho quá trình đồng ly thườ ng đượ c cung cấp bằng cách gia nhiệthoặc chiếu sáng.

Ví dụ: Các peroxide chứa các lien kết O-O có thể đồng ly nếu đượ c gia nhiệt thích hợ p

tạo thành gốc tự do alkoxyl. Phân tử halogen, X2 (X= F, Cl, Br, I) có thể bị đồng ly dướ i tác

dụng của ánh sang thích hợ p.

R O O R 2 O R

IV. KHÁI NIỆM VỀ ACID-BASE

1. Khái niệm acid-base theo Bronted-Lowry

Theo Bronted và Lowry, acid là chất có thể cho (mất) một proton H+ và base là

chất có thê nhận lấy một proton H+.





6

Ví dụ: khi sục khí HCl vào nướ c: HCl nhườ ng một proton H+ cho nướ c vì vậy nó

là một acid; H2O nhận một proton H+ từ HCl nên là một base. Các sản phẩm trong phản

ứng này là ion hydronium (H3O+) và ion chloride (Cl-)

Acid liên hợ p Base liên hợ p

H O H

H

Cl H O H + Cl

HBase Acid

Phân tử hoặc ion tạo thành khi acid mất proton đượ c gọi là base liên hợ p của acid

đó. Phân tử hoặc ion tạo thành khi base nhận proton đượ c gọi là acid liên hợ p của base

đó. Trong ví dụ trên, ion Cl- là base liên hợ p của acid HCl và ion hydronium (H3O+) là

acid liên hợ p của H2O

Độ mạnh của acid (hay base) có thể xác định dựa vào mức độ phản ứng giữa acid

(hay base) đó vớ i một base (hay acid) thích hợ p. Thông thườ ng nướ c đượ c lựa chọn cho

mục đích này. Vì vậy một cách tổng quát, độ mạnh của acid HA đượ c dựa vào mức độ

phản ứng của acid HA vớ i H2O (một base) và đượ c phản ánh qua đại lượ ng Ka đượ c gọi

là hằng số acid. Ạcid HA càng mạnh khi có giá trị Ka càng lớ n và ngượ c lại.

HA + H2O H3O+ + A- Ka

Ka =[ ] HA

AO H −+

3

Ngoài ra ngườ i ta còn dung đại lượ ng pKa vớ i định ngh ĩ a: pKa= -logKa

Như vậy, acid càng mạnh khi Ka càng lớ n hay pKa càng nhỏ và ngượ c lại.

Tươ ng tự, độ mạnh của một base cũng đượ c xác định dựa vào mức độ phản ứng của base

đó vớ i nướ c và đượ c đặc trưng bằng hằng số Kb hay pKb

Đối vớ i một cặp acid-base liên hợ p xác định ta luôn có: pKa + pKb= 14

Điều này đượ c phản ánh qua cân bằng sau đây:

NH3 + H2O NH4+ + OH- Kb = 1.8x10-5 ; pKb = 4.74

NH4+ + H2O H3O+ + NH3 Ka = 5.5x10-10; pKa = 9.25

2.Khái niệm acid-base theo Lewis

Acid là chất có khả năng nhận đôi điện tử và base là chất có khả năng cho đôi diện

tử.





7

H+ + N H

H

H

H NH3

Acid Lewis Base Lewis

V. CÁC CHẤT TRUNG GIAN HOẠT ĐỘNG

Sự dị ly một liên kết giữa carbon và nguyên tử của một nguyên tố bất kỳ có thể tạothành một ion vớ i điện tích dươ ng trên carbon gọi là carbocation hoặc một ion vớ i điện

tích âm trên carbon gọi là carbanion.

1. Carbocation

Carbocation là một nguyên tử carbon thiếu điện tử nối vớ i ba nguyên tử hoặc ba

nhóm nguyên tử khác (vì vậy carbon có hoá trị 3) nguyên tử carbon ở trạng thái lai hoá

sp2 nên nằm trong cùng mặt phẳng vớ i 3 nguyên tử liên kết vớ i nó, gốc liên kết khoảng

120o. Orbital 2p còn trống nằm thẳng gốc vớ i mặt phẳng này.

C R1

R3

R1

R2

120o

120o

120o

Do thiếu điện tử nên thông thườ ng carbocation có tính acid Lewis (giống như BF3, hay

AlCl3). Tuy nhiên trong một số trườ ng hợ p carbocation có thể hiện tính acid Bronsted tức có thể

cho H+:

CH3 C

CH3

CH3

+ OH-

CH3 C

CH3

CH3

+ H2O

CH3 C

CH3

OH

CH3

Acid Brontedhay acid Lewis

Base Bronted hay

chất thân hạch

C Z C + Z

C Z C + Z

Carbocation

Carbanion

Dị ly

Dị ly





8

Các carbocation rất dễ hoạt động, dễ dàng phản ứng vớ i các base Lewis (hay chất

thân hạch). Chính vì khuynh hướ ng phản ứng vớ i những chất dư điện tử nên carbocation

(cũng như tất cả các acid Lewis khác kể cả proton H+) là những chất thân điện tử

(electrophile). Bằng cách nhận một đôi điện tử, proton đượ c một cấu hình bền như khí trơ

helium (He) và các tâm carbocation (nguyên tử carbon) đạt đượ c cấu hình bền của Neon

(Ne):

C O H

H

C O H

HCarbocation(acid Lewis)

Base Lewis

Carbocation đượ c gọi là bậc 1o, bậc 2o và bậc 3o khi carbon tươ ng ứng mang một, hai và

ba nhóm alkyl. Hiệu ứng đẩy điện tử của các nhom alkyl có tác dụng bền vững hoá điện tích

dươ ng trên nguyên tử carbon do đó giúp bền vững hoá carbocation. Ngoài ra còn một số

carboncation bền vững nhờ sự cộng hưở ng như là carbocation allyl và benzyl. Độ bền

carbocation theo thứ tự sau:

CH3 C

CH3

CH3

CH3 C

CH3

H

~~

CH2

~~ CC

CH

H

H

H

H

CH3 C

H

H

H C

H

H

2. Carbanion

Carbanion là ion âm trong đó điện tích âm nằm trên carbon.Giống như carbocation, carbon trong carbanion cũng có hoá trị 3. Tuy nhiên, khác

vơ i trườ ng hợ p carbocation, nguyên tử carbon trong carbanion ở trạng thái lai hoá sp3

trong đó 3 orbital lai hoá sp3 liên kết vớ i 3 nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) khác và một

orbital lai hoá sp3 chứa cặp điện tử tự do.

Do có dư điện tử nên độ bền của carbanion tăng lên khi carbanion mang các

nhóm thế rút điện tử như nhóm carbonyl, nitro, nitrile,…

O O

NO

O

NO

O

Carbanion là những base Lewis mạnh. Trong các phản ứng hoá học, carbanion có khuynh

hướ ng phản ứng vớ i proton H+ hoặc những tâm điện tích dươ ng (thiếu điện tử) như các acid





9

Lewis (chất thân điện tử) để trung hoà điện tích âm của nó. Vì vậy, carbanion là chất thân hạch

(nucleophile).

C H Aδ δC H + A

C + C Lδδ + _ C C + :L

Carbanion

Carbanion

Acid

Acid Lewis

3. Carbene và Carbenoid

Carbene là một phân tử trung hoà về điện chứa carbon hoá trị 2.

Tươ ng tự trườ ng hợ p của carbocation, nguyên tử carbon trong carbine cũng ở

trạng thái lai hoá sp2 và có 1 orbital p còn trống (không có điện tử) định vị thẳng góc

vớ i mặt phẳng chứa các orbital lai hoá sp2. một trong 3 orbital lai hoá sp2 này chứa cặp

điện tử tự do.

Mặc dù là một phân tử trung hoà về điện nhưng carbene cũng là một chất thân

điện tử vì nguyên tử carbon cần một đôi điện tử để đạt cơ câu bát bộ bền vững. chính vì

vậy, carbene dễ dàng phản ứng vớ i một chất thân hạch như alkene.

Đa số các carbene đều không bền, thườ ng đượ c tạo thành như một chất trung giantrong các phản ứng hoá học. Đặc biệt các phản ứng của carbene thườ ng mang tính chọn

lọc lập thể cao.

Hợ p chất carbene đơ n giản nhất là methylene, đượ c tạo thành khi diazomethane

(CH2N2) bị phân huỷ dướ i tác dụng nhiệt hoặc ánh sáng. Một số chất carbene thườ ng gặp

khác là dichlorocarbene (:CCl2), một sản phẩm của phản ứng giữa chloroform (CHCl3)

voi một base mạnh như KOH.

CH2 N N :CH2 + N N

Diazomethane Methylene Nitrogen

Đun nónghoặc

Chiếu sáng





10

Có nhiều chất không phải là carbene ( không chứa nguyên tử carbene hoá trị hai)

nhưng phản ứng giống carbene. Những chất như thế gọi là carbeneoid.

Ví dụ: Iodomethylzine iodide (ICH2ZnI)., một chất phẳn ứng giống như carbine

methylene, đượ c tạo thành từ hỗn hợ p methylene iodide (CH2I2) và muối Zn(Cu):

CH2I2 + Zn(Cu) ICH2ZnI (carbeneoid)

4. Gốc tự do

Đa số các gốc tự do đều có cấu trúc phẳng hoặc gần phẳng. Carbon ở trạng thái lai

hoá sp2 và điện tử tự do nằm trong orbital p định hướ ng thẳng gốc vớ i mặt phẳng chứa bộ

orbital lai hoá sp2 này.

Mặc dù trung hoà điện nhưng các gốc tự do rất hoạt động do khuynh hướ ng ghép

đôi điện tử lẻ của chúng. Do đặc điểm thiếu điện tử nên gốc tự do càng mang nhiều nhóm

thế đầy điện tử (electron-releasing groups) sẽ càng bền. Vì vậy gốc tự do bậc 3o sẽ bền

hơ n gốc tự do bậc 2o và tươ ng ứng bền hơ n gốc tự do bậc 1o.

R

R R

R

R H

H

R H

H

H H> > >

3o 2o1o

methyl

Trật tự về độ bền này có thể giải thích dựa trên khả năng xen phủ một phần orbital p(chứa điện tử lẻ) vớ i liên kết σ C-H hoặc σ C-C (giống trườ ng hợ p carbocation)

C

orbital sp

2

C R

sp3

methylene(carbene) carbocation carbanion

H

HH

Orbital ptrống

CH3

H

HH

Gốc tự do

Cấu trúc phẳng của gốctự do vớ i điện tử lẻ nằm

trên orbital p

C CH

HHH

HSự xen phủ của orbital pchứa điện tử lẻ và liên

kết σ C-H





11

Ngoài ra, sự cộng hưở ng cũng giúp bền vững hoá gốc tự do. Vì vậy, các gốc tự do

kiểu allyl và benzyl đều bền vững hơ n các gốc tự do alkyl (giống như trườ ng hợ p

carbocation).

Những nhóm thế có chứa các nguyên tử có cặp điện tử tự do như ether cũng có

khả năng bền vững hoá gốc tự do nhờ vào khả năng cho các cặp điện tử tự do này. Tuy

nhiên những nhóm rút điện tử như carbonyl và nitrile cũng giúp bền vững hoá gốc tự do

nhờ vào hệ thống π của các nhóm này.

O

R

O

R

O O

C

N

C

N Có thể nhận thấy, tất cả các yếu tố bền vững hoá carbocation (mang nhóm đẩy điện tử)

hoặc carbanion (mang nhóm rút điện tử) đều giúp bền vững hoá góc tự do.





12

CƠ CHẾ PHẢN Ứ NGI. TÍNH THÂN HẠCH VÀ TÍNH BASE

Chất thân hạch (nucleophile) là chất giàu điện tử ( có chứa ít nhất một cặp điện

tử tự do) và có khả năng phản ứng vớ i tâm thiếu điện tử đượ c gọi là chất thân điện tử

(electrophile).

Chất thân hạch có thể là ion âm như: Br-, Cl-, OH-,… hoặc một phân tử trung hòa

về điện: ROH, NH3, H2O,…

Chất thân điện tử có thể là cation hay H+, hoặc tâm bị phân cực dươ ng trong một

liên kết cộng hóa trị phân cực. Nhìn chung các chất có tính acid theo Lewis đều là chất

thân điện tử.

Do chất thân hạch có một cặp điện tử tự do nên nó cũng là một base (base Lewis).

Như vậy chất thân hạch là chất phản ánh ái lực của chất thân hạch đối vớ i chất thân điệntử trong khi tính base phản ánh ái lực của chất thân hạch (base Lewis) đối vớ i proton.

Nhìn chung, các chất thân hạch có tâm thân hạch là các nguyên tố giống nhau thì

tính thân hạch và tính base biến đổi song song vớ i nhau. Ví dụ: các chất thân hạch có tâm

thân hạch là nguyên tử oxy thì tính base và tính thân hạch biến đổi theo cùng một quy

luật như sau: RO- > OH- >> RCO2 > ROH > H2O.

Tuy nhiên tính thân hạch không luôn luôn song song vớ i tính base khi các tâm

thân hạch khác nhau. Nhìn chung tính thân hạc biến thiên tuần hoàn theo chu kì và nhóm

trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Trong một chu kỳ (các tâm thân hạch là các nguyên tố thuộc cùng một chu kỳ)

Nếu các ion có cùng điện tích có tính thân hạch và tính base biến thiên song song vớ i

nhau và cùng giảm dần từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ.

Ví dụ: ion OH- có tính thân hạch cũng như tính base mạnh hơ n F-. Ion OH- cho phản ứng

thế thân hạch vớ i methyl iodide (CH3I) nhanh gần 4000 lần so vớ i ion F-

Tươ ng tự tính thân hạch và tính base của các anion biến thiên như sau:

R3C:- R2N:- RO:- :F:-

Carbanion Ionamide Ion alkoxide Ion fluoride

Tính thân hạch và tính base tăng

Có thể giải thích quy luật biến đổi trên như sau: trong một chu kỳ đi từ trái sang

phải bán kính nguyên tử giảm trong khi độ âm điện lại tăng. Vì vậy các nguyên tử có





13

khuynh hướ ng giữ chặt hơ n các cặp điện tử tự do của chúng, do đó tính thân hạch cũng

như tính base của nó giảm.

Trong cùng một nhóm (các tâm thân hạch của các nguyên tố cùng một nhóm)

trong trườ ng hợ p này tính base và tính thân hạch biến đổi ngượ c nhau. Do trong cùng

một nhóm đi từ trên xuống bán kính nguyên tử tăng trong khi độ âm điện giảm. Vì vậy

orbital chứa cặp điện tử tự do của I- (hay RS-) dễ dàng xen phủ vớ i orbital sp3 cuar taam

carbon thân điện tử hơ n so vớ i orbital chứa cặp điện tử tự do của ion F- (hay RO-).

Khuynh hướ ng biến đổi tính thân hạch trên cũng là do hệ quả của sự solvate hóa

các ion bở i các dung môi phân cực có chứa proton. Ion có kích thướ c lơ n hơ n, độ âm

điện nhỏ hơ n sẽ bị solvate hóa hơ n và do đó có tính thân hạch mạnh hơ n.

Ảnh hưở ng của điện tích ion

Khi chất thân hạch có thể hiện dướ i dạng anion và dạng phân tử (dạng acid liên

hợ p của nó) thì dạng anion luôn có tính thân hạch mạnh hơ n dạng phân tử, do anion có

mật độ điện tử lớ n hơ n thu hút tâm carbon thân điện tử mạnh hơ n phân tử trung hòa điện.

Ví dụ: Ion OH- có tính thân hạch mạnh hơ n H2O. Tươ ng tự, ion alkoxide RO- có tính

thân hạch mạnh hơ n ROH,…

Ảnh hưở ng của yếu tố lập thể

Chất thân hạch có kích thướ c càng lớ n sẽ có tính thân hạch càng yếu do khi đó nó

khó tiếp cận tâm carbon thân điện tử hơ n. Tuy nhiên tính base biến thiên theo chiều

ngượ c lại. Nguyên nhân do yếu tố lập thể ít ảnh hưở ng đến khả năng nhận proton H+ củabase trong phản ứng acid-base.

Ví dụ: tert-butoxide (CH3)3CO có tính thân hạch yếu hơ n ion ethoxide CH3CH2O nhưng

ngượ c lại ion tert-butoxide có tính base mạnh hơ n ethoxide.

II. NHÓM XUẤT

Để tham gia phản ứng thế thân hạch đòi hỏi phân tử phải mang một nhóm xuất

(leaving group). Nhóm xuất tách ra khỏi phân tử dướ i dạng phân tử trung hòa về điện

nhưng thườ ng là một ion âm. Chính vì vậy nhóm xuất tốt nhất là ion có khả năng bềnvững hóa điện tích âm của nó. Đây là đặc tính của một base yếu do đó nhóm xuất tốt

cũng chính là base yếu.

Ví dụ: Trong các ion halogen thì I - là nhóm xuất tốt nhất, F- là nhóm xuất yếu nhất: I- >

Br- > Cl- >> F- ( tính base theo trật tự ngượ c lại, tức F- >> Cl- > Br- > I-).





14

Những nhóm xuất tốt khác như ion alkanesulfonate, ion alkyl sulfate và ion p-

toluenesulfonate (tosylate) đều là các base yếu của các acid mạnh. Đặc biệt, ion

trifluromethanesulfonate (CF3SO3-, còn gọi là triflate) là một trong những nhóm xuất tốt

nhất đượ c biết. Ion CF3SO3- là base yếu của acid liên hợ p rất mạnh CF3SO3H (mạnh hơ n

rất nhiều so vớ i acid H2SO4).

Một ion có tính base mạnh như OH- thườ ng là một nhóm xuất rất yếu, vì vậy phản

ứng thế thân hạch giữa ion halide và ancolhol sẽ không xảy ra. Tuy nhiên trong môi

trườ ng acid mạnh, alcolhol sẽ phản ứng vớ i ion halide do nhóm OH- đượ c proton hóa tạo

thành ion hydronium và như vậy nhóm xuất khi đó sx tạo ra một phân tử nướ c là một

base yếu.

Những ion có tính base mạnh như hydride (H-) hay (R-) sẽ không thể là một nhóm

xuất trong phản ứng thế thân hạch. Vì vậy những phản ứng sau đây sẽ không thực hiện

đượ c.





15

PHẢN Ứ NG THẾ THÂN HẠCH (ÁI NHẬN)

TẠI CARBON BẢO HÒA

(Subtitution Nucleophilic)

I. ĐỊNH NGHĨA

Là phản ứng thay thế nguyên tử (halogen) của akylhalide bở i một chất thân hạch.

Phản ứng thế thân hạch có thể diễn ra theo cơ chế SN1 hoặc SN2

II. CƠ CHẾ

1. Phản ứ ng SN2

Cơ chế:

H O-

C Cl

H

HH

δ δ H O C

HH

H

Clδ δ H O C

H

HH

+ Cl

Trạng thái chuyển tiếp I

Chất thân hạch tấn công vào tâm carbon mang điện tích dươ ng từ phía đối diện vớ i nhóm

xuất tạo thành tạp chất kích động ứng vớ i trạng thái chuyển tiếp I. Ở trạng thái này, liên k ết giữa

chất thân hạch (ion OH-) và nguyên tử carbon đã phần nào đượ c hình thành và liên k ết giữa

carbon và nhóm xuất (ion Cl-) cũng đã phần nào bị đứt. Cuối cùng, liên k ết giữa oxy và carbon

đượ c hình thành, ion Cl

-

đượ c tách ra khỏi phân tử và cấu hình của sản phẩm và trở nên đảongượ c so vớ i ban đầu.

Do cả chất thân hạch (ion OH-) và tác chất (phân tử CH3Cl) cùng tham gia tạo thành tạp

chất kích động vớ i trạng thái chuyển tiếp I nên đây lafphanr ứng có phân tử số là 2 (bimolecular

reaction). Chính vì vậy, phản ứng đượ c gọi là phản ứng tyhees thân hạch SN2 (Substitution,

Nucleophile, bimolecular).

Yếu tố lập thể:

Do chất thân hạch tác kích vào tâm thân điện tử (nguyên tử carbon) từ phía sau (phía đối

diện vớ i nhóm xuất) nên sản phẩm (đảo ngượ c trật tự sắp xếp các nhóm thế xung quanh nguyêntử carbon) so vớ i ban đầu.

Ví dụ phản ứng giữa (R)-(-)-Bromooctane vớ i sodium hydroxide chỉ cho một sản phẩm suy nhất

là (S)-(+)-2-octanol:





17

2.Phản ứ ng SN1

Phản ứng SN1 xảy ra qua các trung gian carbocation. Ta thấy phản ứng trên xảy ra

theo 3 giai đoạn vớ i sự tạo thành của 2 hợ p chất trung gian. Giai đoạn đầu tiên là giai

đoạn quyết định tốc độ trong đó phân tử tert-butyl chloride bị ion hoá tạo thành

carboncation và chloride. Giai đoạn này có phân tử số là 1 nên gọi là phẳn ứng SN1.

Giai đoạn đầu là giai đoạn xảy ra chậm do sự tạo thành carbocation là quá trình

thu nhiệt (chỉ co sự di ly liên kết C-Cl mà không có sự hình thành liên kết) quá trình này

xảy ra đượ c nhờ sự bền vững hoá carboncation của dung môi (sự solvate hoá) Chính sự

solvate hoá này làm giảm năng lượ ng hoạt hoá của phản ứng. Tuy nhiên, mặc dù đượ c

nướ c (chất thân hạch) tạo thành ion tert-butyloxonium. Trên nguyên tắc, ion OH- có thể

tham gia vào giai đoạn này nhưng cơ hội cho các phân tử nướ c phản ứng nhiều hơ n do có

một lượ ng rất lớ n nướ c hiện diện trong môi trườ ng phản ứng so vớ i OH-.

Sự dung môi giải (thuỷ giải nếu dung môi là nướ c, alcohol giải nếu dung môi là

alcohol) các alkyl halide bậc 3o là loại phản ứng quan trọng xảy ra theo cơ chế SN1.

Trong các phản ứng này chất thân hạch là chất trung hoà về điện, vì vậy có tính thân hạch

tươ ng đối yếu ( yếu hơ n chất thân hạch là anion).

Các ví dụ về phản ứng dung môi giải:

(CH3)3C Br + H2O (CH3)3C OH + H2O

(CH3)3C Cl + CH3OH (CH3)3C OCH3 + HCl

(CH3)3C Cl + (CH3)3C OCH3

O

+ HClCOH

O

H

H3C C

CH3

CH3

ClH2O

H3C C+

CH3

CH3

+ Cl-

H3C C+CH3

CH3

O

H

Hnhanh

H3C C

CH3

CH3

O HH3C C

CH3

CH3

OH

HO

H

H nhanh O

H

HH

H3C C

CH3

CH3

O HH

Ch m





18

Cơ chế:

(CH3)C

+

H O CH

O

H O CH

O C(CH3)3

H O CH

O C(CH3)3nhanh

Cl- H O CH

O C(CH3)3

nhanh O CH

O C(CH3)3

+ HCl

Yếu tố lập thể trong phản ứ ng SN1

Khác vớ i trườ ng hợ p phản ứng SN2 xảy ra trong một giai đoạn duy nhất vớ i sự

tác kích của chất thân hạch xảy ra từ phía đối diện của nhóm xuất dẫn đến nghịch

chuyển cấu hình của sản phẩm so vớ i tác chất; phản ứng SN1 xảy ra qua trung gian

carbocation. Do carbocation có cấu trúc phẳng (C lai hoá sp

2

) nên sự tác kích của chấtthân hạch trong giai đoạn tiếp theo có thể xảy ra ở cả 2 bên của mặt phẳng chứa

carbocation vớ i xác suất gần như nhau. Vì vậy nếu tác chất ban đầu (alkyl halide,

tosylate,…) là một dạng đồng phân quang học tinh khiết (enantiomer pure, chiral

subtrate,…) thì sản phẩm tạo thành là một hổn hợ p tiêu triền (racemic mixture).

Các yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ phản ứ ng SN1.

Cơ cấu alkyl halide

Phản ứng SN1 xảy ra có sự tạo thành chất trung gian là carbocation nên yếu tố quan

trọng hang đầu quyết định tốc độ phản ứng là mức độ bền vững của carbocation đó.

Ngoại trừ một số phản ứng xảy ra trong môi trườ ng acid mạnh thì hầu như chỉ có hợ p

chất hữu cơ có khả năng tạo carbocation tươ ng đối bền mớ i có thể cho phản ứng SN1. Do

đó alkyl halide bậc 3, benzyl halide (C6H5CH2X) hay allyl halide (CH2=CHCH2X) ( hay

các alkyl, benzyl, allyl chứa các nhóm xuất thích hợ p khác).

Tươ ng tự như trườ ng hợ p của phản ứng SN2 các vinyl halide (R2C=CRX) và các

aryl halide (C6H5X) không cho phản ứng thế SN1. Ngoài các nguyên nhân đã nêu trong

phản ứng SN2 thì còn một nguyên nhân nữa là các cation vinyl và aryl rất kém bền nên

không thể tạo thành trong quá trình phản ứng.

Chất thân hạch

Do chất thân hạch không tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng nên

nồng độ cũng như độ mạnh chất thân hạch không ảnh hưở ng đến tốc độ phản ứng thế SN1

Ví dụ:

(CH3)3C Cl (CH3)C+ + Cl-Chậm





19

Dung môi:

Do có khả năng solvate mạnh cation và anion nên các dung môi phân cực có hydro

phân cực mạnh (protic solvent) sẽ làm tăng tốc độ ion hoá của alkyl halide trong phản

ứng thế SN1. Những dung môi này thườ ng có hằng số điện môi lớ n. Tức khả năng tách

mạnh các ion dươ ng và âm ra khỏi nhau. Giá trị hằng số điện môi của một số dung môi

hữu cơ thông thườ ng đượ c trình bày trình bày trong bảng 2.1 từ đây cho thấy nướ c có khả

năng hổ trợ quá trình ion hoá rất tốt. Tuy nhiên, do nướ c hoà tan kém các hợ p chất hữucơ nên nướ c tinh chất ít đượ c sữ dụng làm dung môi mà thườ ng dướ i dạng hổn hợ p vớ i

các dung môi hữu cơ thích hợ p khác. Hỗn hợ p dung môi methanol-nướ c hay ethanol-

nướ c thườ ng đượ c sữ dụng trong các phản ứng thế thân hạch SN1.

H3C C

CH3

CH3

OH + HX H3C C

CH3

CH3

X + H2O

2-Methyl-2-propanolTốc độ như nhau đối với X=Cl, Br, I)





20

Dung môi Công thứ c Hằng số

điện môi

Nướ c H2O 80

Acid formic HCOOH 59

Dymethylsulfoxide (DMSO) CH3SOCH3 49

N,N - Dymethylformamide HCON(CH3)2 37

Acetonitrile CH3CN 36

Methanol CH3OH 33

Hexamethylphosphoramide (HMPA) [(CH3)2N]P=O 30

Ethanol C2H5OH 24

Acetone CH3COCH3 21

Acid acetic CH3COOH 6

Chloroform CHCl3 4.8

Diethyl ether C2H5OC2H5 4.3

Benzene C6H6 2.3

Hexane C6H14 1.9

Bả ng 2.1 Giá tr ị hằ ng số đ iệ n môi củ a mộ t số dung môi thông thườ ng

3. Điều kiện để có phản ứ ng SN1 và SN2

Bốn yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ phản ứng SN1 và SN2 là:

o Cấu trúc tác chất

o Nồng độ và độ mạnh của chất thân hạch

o Ảnh hưở ng của dung môi

o Bản chất nhóm xuất

Phản ứng thế SN1 sẽ chiếm ưu thế khi tác chất tạo đượ c carbocation bền, chất thân

hạch tươ ng đối yếu và sữ dụng dung môi có khả năng ion hoá tác chất cao.

Trái lại, phản ứng thế SN2 lại ưu tiên cho các chất phản ứng ít chướ ng ngại lập thể,

chất thân hạch mạnh, dung môi phân cực không có proton và nồng độ chất thân hạch cao.

Nhóm xuất gây ảnh hưở ng gần như giống nhau trong cả 2 phản ứng SN1 và SN2.

Ví dụ: trong chuỗi akyl halide thì I- là nhóm xuất tốt nhất còn F- là nhóm xuất yếu

nhất.





21

Tóm tắt trong bảng sau:

Các yếu tố SN1 SN2

Tác chất 3o ( tạo thành carbocation bền) Methyl > 1o > 2o

(ít chướ ng ngại lập thể)

Chất thân hạch Base Lewis yếu, các phân tử trung

hoà hoặc có thể là phân tử dung

môi ( sự dung môi giải)

Base Lewis mạnh nồng

độ cao

Dung môi Phân cực, có proton (rượ u,

nướ c,…)

Phân cực, không có

proton (DMF,

DMSO,…)

Nhóm xuất ảnh hưở ng như nhau trong cả hai loại phản ứng: nhóm xuất

càng tốt khi nó có tính base càng yếu.

Bả ng 2.2 các yế u tố ả nh hưở ng đế n phả n ứ ng thế S N 1 và S N 2.

4. Các phản ứ ng đặc biệt

a. Phản ứ ng SNi

Phản ứng SN1 xảy ra vớ i sự tiêu triền hoá, phản ứng SN2 vớ i sự nghịch chuyển

cấu hình. Tuy nhiên, một số phản ứng đặc biệt có sự lưu giữ cấu hình tức cấu hình sản

phẩm giống cấu hình của chất ban đầu. Đó là phản ứng nội thế hay phản ứng SNi vớ i các

hợ p chất như Clorosulfit alkyl, cloroformiat alkyl.

R-OH + SOCl2 RCl + SO2 + HCl

V= k[R-OH][SOCl2]

Hoá học lập thể

Trong dung môi dioxin không có sự hiện diện của pyrimidin, có cơ chế đượ c

đề nghị.

C O

R1

HR2

R3

+ SOCl2 C O

R1

R2R3

S O

Cl

C O

R1

ClR2

R3

+ SO2

Cơ chế hoà đồng.

C O

R1

R2R3

S OCl

R1

C ClR2 R3

+ SO2 C Cl

R1

R2R3

Sự loại SO2 cần sự trợ giúp của dung môi.

o

o





22

b. Phản ứ ng Halogenur alil

Cơ chế SN1’: halogenur alkyl chp phản ứng SN1 xảy ra dễ dàng vì C+ bền. Phản

ứng SN1’ xảy ra vớ i sự di chuyển liên kết đôi từ vị trí ban đầu đến vị ví cận trên sườ n

carbon.

Thí dụ:

R CH CH CH2 Cl R CH CH CH2 R CH CH CH2

SN1 SN1'

R CH CH CH2OH R CH CH CH2

OH

Cơ chế SN2’: đồng thờ i xảy ra vớ i SN2 đôi khi xảy ra vớ i SN2’. Tác nhân thân hạch

tác kích Cγ thay vì Cα.

c. Sự tham gia của nhóm kề

Nhóm kề nguyên tử carbon cho phản ứng mang điện tích âm hoặc 2e cô lập. có thể

đóng vai trò tác nhân thân hạch trong giai đoạn đầu. Sau đó bị loại bỏ tác nhân thân hạch.

Nhóm kề có thể là ion: RCOO-, RO-, CH3COO-, amino, S-, ester, eter…

+ Nhóm kề là carboxilat (RCOO- )

Sự thuỷ giải acid α-Bromopropionic triền quang trong dung dịch base loãng

sản xuất một acid lactic triền quang cùng cấu hình.

- Giai đoạn đầu của phản ứng là phản ứng SN2 nội thế (nghịch chuyển lần một)

giai đoạn 2 tác kích chất thân hạch SN2 bình thườ ng (nghịc chuyển lần 2). Ion OH- chỉ

can thiệp vào phản ứng sau khi qua trung gian α-lacton đượ c tạo thành.

CH3 CH2 CH

Cl

CH CH2 CH

COOEt

COOEt

+ C2H5 CH CH CH2

CH2(COOEt)2γ α

α-lacton

C CO

O

Br

CH3

H C C

O

H

CH3

OOH-

C C

O

O

OH

CH3

H





23

+ Nhóm kề là nhóm halogen.

Phản ứng SN1 xảy ra tại một gnuyeen tử carbon liên kết vớ i một halogen trung

gian là ion Halonium.

Thí dụ: sự dung môi giải p-tosilat-Trans-2-Iodo ciclohexil trong dung môi acetic

nhanh hơ n 1000 lần sự dung môi trung gian ion Iodonium.

I

OTs

OAc

I

OAcI

OAc

+ Nhóm kề là nhóm ester.

Tác dụng vớ i CH3COOAg trên acetate-2-Brom ciclohexil. Trong acetic khan

nướ c. Trong đó Br đượ c thay thế bở i nhóm acetate dạng Trans biến đổi nhanh hơ n dạng

Cis và hoá học lập thể của hai phản ứng khác nhau.

Dạng trans biến đổi nhanh hơ n do có sự tham gia của nhóm kề.

Br

OCO

CH3

OAc

O O OAc

OAc

C

CH3

AcO-

Br

OAcTrans

CH3COOAg/CH3COOH

Nhanh

OAc

OAc Br OAc

Cis

Chậm





24

PHẢN Ứ NG KHỬ I. ĐỊNH NGHĨA

Đó là sự loại hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ra khỏi một phân tử mà không

có sự thay thế bở i 2 nguyên tử hoặc 2 nhóm khác

II. CƠ CHẾ 1. Cơ chế E2:

Phản ứng E2 xảy ra khi alkyl halide xảy ra vớ i một chất thân hạch có tính base

mạnh như ion hydroxide (OH-) alkoxide (RO-),…

Biểu thức tốc độ có dạng: V = k [RX][base]

Những nghiên cứu động học cho thấy đây là phản ứng bậc 2 tổng quát. Bậc 1 đối

vớ i alkylhalide và bậc 1 đối vớ i chất thân hạch (base). Giống như phản ứng thế SN2, phản

ứng tách E2 cũng xảy ra trong một giai đoạn và không có sự tạo thành chất trung gian.

Theo cơ chế này base tác kích vào proton của carbon kế cận carbon mang nhóm

xuất và proton sẽ bị lấy đi đồng thờ i sự hình thành liên kết C=C và sự ra đi của nhómxuất. Do cả alkylhalide và base điều tham gia vào tạp chất kích động ứng vớ i trạng thái

chuyển tiếp của phản ứng nên phản ứng có phân tử số là 2, vì vậy gọi là phản ứng tách

E2 (Elimination, bimolecular).

Yếu tố lập thể

Phản ứng khử E2 xảy ra vớ i tác chất có cả 4 nguyên tử phản ứng là nguyên tử

hydro, hai nguyên tử carbon và nhóm xuất X nằm trong cùng một mặt phẳng, trong đó

nguyên tử hydro và nhóm xuất X nằm ở hai bên mặt phẳng phân tử (antiperiplanar). Chỉ

vớ i cấu hình này thì sự xen phủ của hai orbital sp3 ban đầu (liên kết C-H và C-X) mớ i có

thể xảy ra và orbital kiểu mớ i kiểu π trong alkene mớ i đượ c hình thành.

Ví dụ phản ứng giữa meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane và KOH chỉ duy nhất

là một alkene là (E)-1-bromo-1,2-diphenylethylene.

δ+

δ-C C

H

R

R

RR

X

B:

C C

H

RR

RR

X

BC C

R R

RR+ B H + X

Trạng thái chuyển tiếp





25

CC

HPh

BrH

Br Ph

B:

KOH

EthanolC

C

H

PhBr

Ph

PhH

Br

H

PhBrBr Ph

PhH

meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane (E)-1-bromo-1,2-diphenylethylene

Đối vớ i hợ p chất mạch vòng ví dụ như ciclohexane thì yếu tố lập thể trong phản ứng E2

càng quan trọng: Chỉ khi nguyên tử H và nhóm xuất X đều ở vị trí trục (axial) và và là trans đối

vớ i nhau thì sự khử E2 mớ i xảy ra đượ c.

Halogen ở vị trí trục: H và X định hướ ng thích hợ p (anti periplanar)

Halogen ở vị trí xích đạo: H và X định hướ ng không thích hợ p

2. Cơ chế E1

Phản ứng E1 xảy ra theo hai giai đoạn trong đó có sự tạo thành chất trung gian

carbocation. Ví dụ: Xét phản ứng của 2-chloro-2-methylpropane. Cơ chế đượ c trình bày

như sau:

Những nghiên cứu động học cho biết vận tốc phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ

của 2-chloro-2-methylpropane mà không phụ thuộc vào nồng độ base. Bậc phản ứng là

một và biểu thức phản ứng dạng: V=k[(CH3)3Cl].

H

H

X

Base + HX

CH3 C CH3

Cl

CH3

C C

H

H

H

H3C

H3C

Base

+ Cl C CH

H

H3C

H3C

nhanhGiai đoạn tốc định

H

HX

H

HBase Không phản ứng





26

Tươ ng tự vớ i phản ứng SN1 giai đoạn đầu là giai đoạn tách E1 là sụ dị ly liên kết

C-Cl tạo thành carbocation. Đây là giai đoạn chậm là giai đoạn quyết định tốc độ phản

ứng

Tuy nhiên khác vớ i trườ ng hợ p phản ứng thế SN1, giai đoạn tiếp theo trong phản

ứng E1 là sự lấy đi một proton từ ion carbocation bở i base tạo thành sản phẩm là alkene

(quy tắc Zaitsev). Chính vì vậy trong thực tế nếu alkyl halide đượ c cho phản ứng vớ i một

chất thân hạch có tính base yếu và trong dung môi phân cực có proton (protic solvent) thì

phản ứng thế SN1 luôn xảy ra cạnh tranh vớ i phản ứng tách E1. Khi đó phản ứng sẽ tạo

thành hổn hợ p sản phẩm.

Ví dụ:

CH3 C CH3

Cl

CH3

C CH

H

H3C

H3C

CH3 C CH3

CH3

OH

+H2O, ethanol

65o

C

2-Chloro-2-methylpropane 2-methylpropene 2-methyl-2-propanol(64%)(36%)

Yếu tố lập thể trong phản ứ ng tách E1

Khác vớ i trườ ng hợ p phản ứng tách E2, phản ứng E1 không đòi hỏi tác chất phải có cấu

hình không gian thích hợ p. Trên nguyên tắc, chất không gian carbocation có thể mất bất kỳ

proton ở carbon kế cận để tạo thành alkene. Tuy nhiên thườ ng sản phẩm chính sẽ là alkene mang

nhiều nhóm thế nhất (quy tắc Zaitsev).

Sự cạnh tranh giữ a phản ứ ng SN1, SN2, E1, E2.

Nhìn chung không có một quy luật tuyệt đối để cho một tác chất xác định (alkyl halide và

tosylate,…) phản ứng theo cơ chế SN1, SN2, E1 hay E2. Tuy nhiên có một số khuynh hướ ng sau

đây để áp dụng dự đoán tiến trình phản ứng:

Alkyl halide 1o : Ư u tiên phản ứng thế SN2 nếu dung tác chất thân hạch mạnh như RS-,I-, CN-, NH3 hay Br- . Nếu dùng một base mạnh có chướ ng ngại lập thể lớ n như tert-butoxide thìphản ứng khi đó chủ yếu là phản ứng tác E2.

CH3CH2CH2CH2Br

CH3CH2O-

ethanol

(CH3)3CO-

CH3CH2CH2CH2OCH2CH3 + CH3CH2CH=CH2

CH3CH2CH2CH2O(CH3)3 + CH3CH2CH=CH2

Butyl ethyl ether (90%) 1-Butene (10%)

Butyl tert-bylyl ether (15%) 1-Butene (85%)1-Bromobutane

Alkyl halide 2o : thườ ng cho cả hai phản ứng SN2 và E2 và do đó thườ ng thu đượ c hỗn

hợ p sản phẫm. Tuy nhiên nếu dung:

Chất thân hạch mạnh nhưng có tính base yếu và dung môi phân cực không có proton như

HMPA: Ư u tiên phản ứng thế SN2.





27

Chất thân hạch có tính base mạnh nhưu ion ethoxide (CH3CH2O-), ion hydroxide (OH-)

hay amide (-NH2): ưu tiên phản ứng tách E2.

Alkyl halide bậc 2o , đặc biệt là alkyl halide và benzyl halide, có thể cho cả phản ứng

SN1 và E1 nếu sữ dụng chất thân hạch có tính base yếu trong môi trườ ng phân cực có proton

như ethanol hoặc acid acetic. Thườ ng sẽ thu đượ c hai hỗn hợ p sản phẩm:

CH3CHCH3

Br

CH3CO-

O

CH3CHCH3

OCCH3

O

CH3CH2O-

CH3CHCH3

OCH2CH3

Isopropyl acetate (100%)

Ethyl isopropyl ether (20%)

+ CH3CH=CH2

CH3CH=CH2+

Propene (0%)

Propene (80%)

Base yếu

Alkyl halide 3o : chủ yếu cho phản ứng khử E2 khi sữ dụng những base mạnh như OH

hay RO-. Ngượ c lại trong điều kiện không có base, chẳng hạn như chỉ đun hỗn hợ p phản ứng

trong ethanol, thì phản ứng sẽ diễn ra theo hai cơ chế SN1 và E1:

H3C C

CH3

Br

CH3

CH3CH2O-Na+

CH3CH2OH

H3C C

CH3

OCH2CH3

CH3

H3C CCH3

OCH2CH3

CH3

Ethyl tert-butyl ehter (3%)

Ethyl tert-butyl ehter (80%)

C CH2

H3C

H3C

2-Methyl propene (97%)

+

C CH2H3C

H3C2-Methyl propene (20%)

+

Nhìn chung rất khó điều khiển tỷ lệ tươ ng đối giữa phản ứng thế SN1 và tách E1 bở i năng

lươ ng hoạt hoá của giai đoạn từ carbocation đến alkene (mất một proton) và từ carbocation đến

sản phẫm thế (bở i chất thân hạch) đều rất nhỏ. Thườ ng thì nếu nhiệt độ thấp thì phản ứng thế SN1

chiếm ưu thế hơ n tách E1. Tuy nhiên trong thực tế phản ứng thế SN1 cảu alkyl halide 3o thườ ng

ít đượ c sữ dụng như là một phươ ng pháp tổng hợ p hữu cơ , do tách E1 xảy ra quá dễ dàng. Trong

trườ ng hợ p cần thu đượ c sản phẩm của phản ứng tách từ alkyl halide 3o thườ ng ngườ i ta sẽ dung

một base mạnh thích hợ p để hướ ng phản ứng theo cơ chế tách E2 để tránh tạo thành carbocation.





28

CH3X

Methyl

RCH2X

1o

R2CHX

2o

R3CX

3o

Phân tử số của phản ứng là 2 (bimolecular) SN1/E1 hoặc E2

Chủ yếu là SN2 Chủ yếu là SN2

Base mạnh, cồng

kềnh: chủ yếu là E2.

Base yếu (như I-, CN-

, RCO2-): SN2

Base mạnh (RO-): E2.

Không cho SN2. chủ yếu

là SN1 và E1.

Nếu nhiệt độ thấp: E1.

Base mạnh: E2 (OH-, RO-

Bả ng 2.3 Tóm tắ t về các phả n ứ ng S N 1, S N 2, E1, E2

3.Cơ chế E1CB

Theo cơ chế E1: Nhóm xuất rờ i chất nền đầu tiên. Còn E2 thì nhóm xuất Hβ bị loại

cùng một lúc. Trườ ng hợ p thứ 3 là Hβ bị loại trướ c để lại carbanion (C-) còn gọi là cơ chế

E1CB

H C CY-

C C X nhanhC C

Cơ chế E1CB xảy ra khi C- sinh ra bền nhóm xuất nghèo e-

Thí dụ:

C CCl

ClCl

OH-C C

Cl

Cl

Cl

Cl

C C ClCl

4.Phản ứ ng nội khử

Theo cơ chế đơ n phân tử đa số trườ ng hợ p này là phản ứng nhiệt giải ở trạng thái khí. 3

trườ ng hợ p quan trọng là nhiệt phân tích ester, oxid amin tam và sulfoxid gọi là phản ứng

nội khử (khử vòng)

-Nhiệt phân tích ester

C C

R3R1

H OR2 R4

CCH3

O

400o

C C C

R4

R3

R2

R1+ CH3COOH





29

Tươ ng tự sự nhiệt giải Sanlat

C C

OH

CSCH3

S

200oCC C + O C S + CH3-S

-Nhiệt phân tích oxid amin tam

.

C C

N(CH3)2H

O

150oCC C + H3C N

CH3

OH

-Nhiệt phân tích sulfoxid.

5. Hóa học lập thể

Phản ứ ng khử Trans: hiệu ứng lập thể rõ ràng, base tác kích Hβ ở phía đối diện

nhóm xuất cơ chế E2 còn gọi là cơ chế khử Trans ( Hai nhóm bị mất ở hai phía đối diện

nhau).

C CR4

R3

X

H

R1 R2

base C C

R3R1

R2 R4

Phản ứ ng khử Cis

Các phản ứng nhiệt giải theo cơ chế khử Cis qua trạng thái chuyển tiếp vòng.

Thí dụ

R2R1

H OC

CH3

O

R3 R4

C CR2 R4

R3R1

6. Định hướ ng trong phản ứ ng khử Tỷ lệ sản phẫm trong phản ứng khử đã đượ c xác định từ lâu (cơ chế E1 và E2

đượ c giải thích) bở i hai quy tắc kinh nghiệm của Zaitsev và Hoffmann vạch rõ đượ c ảnh

hưở ng của cơ cấu trên hướ ng khử.





30

-Qui tắc Hoffmann (1851)

Sự nhiệt giải muốn Amonium tứ cấp sản xuất một alken ít nhóm thế alkyl nhất.

Ngh ĩ a là Hydro bị loại thuộc carbon ít nhóm thê nhất.

CH3 CH2 CH2 N

CH3

CH3 OH

CH2 CH3

CH2 CH2 + CH3 CH CH298% 2%

-Qui tắc Zaitsev (1875)

Phản ứng khử Hydracid (HX) của chuyển hoá chất (chất dân xuất halogen dướ i tác

dụng của base mạnh. Sản xuất một alken nhiều nhóm thế nhất.

CH3 CH2 C

CH3

CH3

Br

EtOCH3-CH=C

CH3

CH3

CH3 CH2 C

CH3

CH2+

70% 30%

-Phạm vi ứ ng dụng hai qui tắc.

Các phản ứng khử E2 của các muối “onium”, “Sulfonium” và hợ p chất NO2

(Nitro) theo quy tắc Hoffmann.

Các phản ứng khử E2 của các hợ p chất R-X (Halogenur) và p-tosylat (phản ứng

khử E1) tuân theo quy tắc Zaitsev.

-Giải thích phạm vi ứ ng dụng bằng hiệu ứ ng e

Trong phản ứng khử Hoffmann hiệu ứng cảm –I gia tăng tính acid Hβ do đó nhóm

nhả e tại C làm giảm tính acid trên Hβ trở nên khó.

R1 C C

H

N

HOβ

Trái vớ i quy tắc Hoffmann theo quy tắc Zaitsev sản phẩm sinh ra bền. Do đó hiệu

ứng cảm không quan trọng trong trườ ng hợ p này.

CH3 CH C

CH3 CH3

CH3 C C

CH3

CH3

CH3

CH3

7. Phản ứ ng khử Halogen

a. Phản ứ ng 1,2-dihalogenur.

Những kim loại hoạt động như: An, Hg, Li… và I- có thể khử halogenur trong 1,2-

dihalogenur.





31

R4

R2R1

R3X

X

Zn C C

R1 R3

R2 R4+ ZnX2

Phản ứng theo cơ chế khử Trans.

Tươ ng tự cho haloeter alken

CH3 CH2 CH C

CH3

O

CH3

CH3

BrZn

CH3 CH2 CH CCH3

CH3

b.Gem-dihalogenur

Dùng base mạnh như NH2 khử tạo thành liên kết ba ở cuối dây.

CH3

CH2

C

Cl

CH3

Cl

NaNH2

CH3 CH2 C CH





33

CH3 CH CH2

Br

CH3 CH CH2

BrBr

CH3 CH CH2

Br

Br

Cộng Br2 vào Acid Maleic

CC

H

COOH

HOOCH + Br2 C

C

H

COOH

HOOCH

Br

H

COOH

COOH

Br

Br

H

Br-

COOHH

BrH

COOH

Br

Tréo ( )

Cộng Br2 vào Fumaric

CC

H

COOH

HCOOH + Br2 C

C

H

COOH

HCOOH

BrCOOH

COOH

H

Br

Br

H

Br-HHOOC

BrH

COOH

Br

Eritro( )

Eritho => ( có mặt phẳng đối xứng thuộc phân tử) meso

Vớ i những phân tử có cấu trạng cứng rắn như ciclohexen thì sản phẩm cũng là trans-

dihalogenur

+ Br2

Br

Br

Trườ ng hợ p ngoại lệ: trong phản ứng cộng Cl2 vào Acenaptilen thì sản phẫm cũng là

trans-dihalogenur.

HH

ClCl

Cl2





34

Trong phản ứng cộng HX vào alken đa số là phản ứng cộng Trans.

+ HBr

Br

H

Tuy nhiên, sự cộng DBr vào liên kết đôi có nhóm alkyl theo cơ chế cộng Cis.

DBr

+DBr

2. Cộng tác chất không đối xứ ng

Tác nhân không đối xứng có công thức là H-A. Phản ứng này khở i đầu bằng sự

proton hoá liên kết đôi. Sau đó, chất thân hạch tác kích vào ion C+. Để giải thích cơ chế

cộng Trans phản ứng qua trung gian protonium vòng

C C H A C C+

H+A-

δδ

C C

H

A

H

A

Cộng Hidracid(HX)

Giai đoạn proton hoá liên kết đôi xác định vận tốc phản ứng tiếp theo tác kích của chấtthân hạch trung gian ion C+. Vận tốc phản ứng tăng dần theo HI>HBr>HCl>HF

Quy tắc Markownikov

Sự cộng HX vào alken không đối xứng luôn luôn xảy ra như thế nào để Halogen

gắn vào carbon mang nhiều nhóm thế nhất.

CH3 CH CH2HCl CH3 CHCl CH3

Quy tắc giải thích hiệu ứng e.

CH3 CH CH2HCl CH3 CH CH3

Cl- CH3 CHCl CH3

Quy tắc phản Markownikov

Ảnh hưở ng của nhóm rút e

Nếu có nhóm thế rút e thì chiều hướ ng phân cực bị đảo ngượ c. Halogen sẽ gắn vào

carbon ít nhóm thế nhất.





35

CH2 CH COOH + HBr CH2Br CH2 COOH

Hiệu ứng peroxide:

Trong phản ứng có sự hiện diện của peroxide thì phản ứng cộng theo cơ chế cộng gốc tự

do. Để có gốc tự do bền thì Halogen gắn vào carbon ít nhóm thế.

Thí dụ:

CH3 CH CH2Br+ HBrR-O-O-R

peroxidCH3 CH CH2

Cơ chế gồm 2 giai đoạn.

Giai đoạn 1 (mở đầu)

R-O-O-R 2RO

RO + HBr ROH + Br-

Giai đoạn 2 (truyền)

R CH=CH + Br R CH CH2Br

R CH CH2Br + HBr R CH2 CH2Br + Br’

Ghi chú: gốc tự do nhị bền hơ n nhất => phản Markownikov.

3. Phản ứ ng cộng khác

a. Phản ứ ng hidroxil hóa

Sự hydroxyl hoá vào alcen tạo thành 1,2-glycol còn gọi là α-glycol. Tuỳ theo tácchất oxy hoá phản ứng có thể sản xuất cis-1,2-glycol chất ([O]:KMnO4, O3O4) hoặc

Trans-α-glycol (chất [O] peraxid) I2 –CH3COOAg/H2O.

Cis-Glycol

Chất [O] thườ ng dùng KMnO4 loãng trong dung dich kiềm.

C C + KMnO4(l) OH- C C

OHOH





36

Cơ chế qua trung gian ester Manganic vòng.

C C C C

O O

Mn

O O

OH-C C

O O

MnO O

O

C C

O OH

MnO O

O

OHC C

O OH+Mn

O

O HO

O

C C

OHOH

MnO43

+

diolα

Môi trườ ng base yếu.

Nếu carbon mang liên kết đôi có hydro thì sản phẩm là α-hidroxiceton.

C C

O OHMn

O OO

R2

R3R1

H R1 C C

O OH

R2

R3

(base yếu nên không đủ OH- tác kích vào Mn).

Trans-glycol

Sự [O] alken bở i peraxid. Thí dụ: peraxid fomic, peraxid acetic,… xảy ra theo cơ chế

Trans Hydroxyl hoá.

OH

OHH2O2 35%

HCOOH glycolαTrans-

Cơ chế: phản ứng xảy ra gồm 2 giai đoạn

Giai đoạn đầu tạo thành epoxid

Giai đoạn sau thuỷ giải vòng epoxid cho trans-α-diol

C C

C OH

O O H

C CO

H2O

OH-C C

OH

OH

+ CH3COOH

Cắt đứ t glycol

1-glycol có thể bị cắt đứt cho ra ceton hoặc aldehyd 2 tác nhân thườ ng dung nhất là HIO4,

tetraacetac chì.





37

C C

OH OH

C C

O OI

O OOHO

I3+O

O OH

R CH O + C OR2

R3Aldehyd

Ceton

b. Ozon hóa

Alcen dễ dàng cộng vớ i ozon ở nhiệt độ thấp, liên kết đôi bị cắt đứt cho vòng

peroxide gọi là ozonid. Ozonid không bền thuỷ giải có bột kẽm cho ra hợ p chất carbonil

gồm aldehyd hoặc ceton (sự hiện diện của bột kẽm để tránh tạo H2O2 biến aldehyd thành

acid).

Cơ cấu O3

OO

O O

O

O O

O

O

Thí d ụ:

C CH R3

R1

R2

+ O3H2O/Zn

C

O O

COR1

R2 R3C O

R1

R2

+ RCHO

Ceton

AldehydH2OOzonid

C O

R1

R2

RCOOH+ Acid

4. Phản ứ ng cộng theo cơ chế gốc tự do

a. Phản ứ ng cộng HBr hiện diện peroxide

R CH CH2 + HBr R-O-O-R(Peroxid)

R CH2 CH2Br

(xem cơ chế phản ứng Markonikov)

b.Phản ứ ng hydro hóa xúc tác

Vớ i sự hiện diện của chất xúc tác như Pt, Pd, Ni-Raney các alken có thể hydrohoá dễ dàng cho alkan. Phản ứng theo cơ chế gốc tự do.

Hidro đượ c hấp phụ vào khối kim loại, alken nằm trên bề mặt khối kim loại phản

ứng hoàn tất giải phóng alkan. Như thế phản ứng tiếp tục.





38

C C

H H

CH2 CH2 + H2H2 CH3 CH3

c. Phản ứ ng đa phân hóa gốc tự do

Etilen ở 100oC, áp suất 1000 atm có sự hiện diện của một ít peroxide sẽ đa phânhoá cho ra polietilen. Cơ chế:

CH2 CH2 + RO-OR CH2 CH2 + 2R O CH2 CH2RO

CH2 CH2CH2 CH2CH2)RO(CH2

Phản ứng kết thúc bằng hai cách:

d. Phản ứ ng cộng carben

Một số phản ứng cộng vào liên kết đôi qua trung gian carben. Carben có đờ i sống

ngắn rất tăng hoạt dễ dàng cộng vào liên kết dôi để cho ciclopropan.

Những chất dung để điều chế carbon có thể từ:

Diazometan:

Diazoacetat etil:

HCCl3 OH- CCl

Cl

Diazo diphemetan:

Phản ứng:

C CR1

R2

R3

R4+ CH2

C CR1

R2

R3

R4CH2

Phản ứng có tính lập thể cao. Hai liên kết σ thiết lập phải có thờ i gian chuyển nghịch spin

trong khi đó carbon phải quay quanh liên kết đơ n.

CH2 CH2CH2)nRO(CH2 CH2 CH2]2CH2)n[RO(CH2

CH2 CH2CH2)nRO(CH2 + CH2 CH3CH2)nRO(CH2

Hoà hợ p

Bất cân đối

N N CH2 CH 2 + N 2Hγ

N N CH CO 2Et N 2 + CH CO 2EtHγ

N N CC6H5

C6H5

N2 + CC6H5

C6H5

Hγ





39

PHẢN Ứ NG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ VÀO

HIĐROCARBON THƠ MHợ p chất thơ m là hợ p chất có kiểu nhân benzene Faraday tìm ra năm 1825. Trong

thành phần khí th

ắp 1845, Hoffman tìm th

ấy nh

ựa than

đá. Dung trong t

ổng h

ợ p h

ữu c

ơ

và dung môi.

I. CƠ CẤU

Theo Kekulé

Từ ngườ i ta đề nghị nhiều cơ cấu nhưng chỉ có cơ cấu Kekule đượ c sữ dụng rộng

rãi. Công thức cấu tạo đượ c đề nghị dựa vào những thí nghiệm sau:

Phép phân tích định lượ ng cũng như phép đo chất lượ ng mol chỉ rằng phân tử

benzene có 6C và 6H.

Cho cộng phản ứng cộng khó khăn ở nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ cao có thể cho phản

ứng cộng đượ c:

C6H6 + 3H2, P

XtC6H12

Ozon hoá và Ozon giải cho 3 phân tử glyoxal (OHC-CHO)

Cho phản ứng thế dễ dàng.

Nếu 1H đượ c thay thế bằng một gốc R(alkyl) ta có một sản phẫm duy nhất. Chứng tỏ 6

liên kết C-H giống nhau.

Nếu 2H đượ c thay thế bằng 2R: Ta có 4 sản phẩm (2 ortho, 1 meta, 1 para) thực tế có 3

sản phẩm (1 ortho, 1 meta, 1 para)

Kékulé đề nghị:

I II

Dù sao, cơ cấu (I) và (II) chỉ giải thích đượ c khi thế 2 nhóm Alkil thì có một sản phẩm

ortho. Còn không giải thích đượ c tại sao benzene cho phản ứng cộng khó, phản ứng thế dễ.

Công thứ c cộng hưở ng

Dựa trên thuyết cộng hoá trị kết hợ p vớ i phươ ng pháp vật lý hiện đại (phổ, nhiễu xạ…)

cho biết liên kết C-H=1,39Ǻ ở giữa liên kết đơ n và đôi. Về nhiệt động học benzene khá bền so

vớ i phản ứng lý thuyết ciclohexatrien (có 3 liên kết đôi riêng biệt) năng lượ ng thấp hơ n





40

36Kcal/mol. Tính bền này đượ c giải thích bở i hiệu ứng cộng hưở ng ngh ĩ a là 6ē π không ở trên

liên kết đôi nào mà chuyển quanh 6 carbon tạo ra tính bền.

hay

Thuyết vân đạo phân tử Carbon trong benzene lai tạo sp2 => cơ cấu C6H6 phẳng. Như vậy mỗi carbon còn vân

đạo p. Những vân đạo p này phủ lên nhau tạo ra vân đạo p lan rộng (bất định xứ) di chuyển khá

tự do, do đó benzene khá bền.

HH

H H

HH

II. PHẢN Ứ NG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ

Cơ chế chung tổng quát: Ar H + X+ Ar X + H+

Phản ứng xảy ra voi sự hiện diện của acid mạnh hoặc acid ewis xúc tác. Vai trò của xúc

tác là chuyển hoá chất xúc tác thành tác nhân thân điện tử.

Cơ chế:

Phản ứng xảy ra vơ i sự hình thành tạp chất π (phức chất π) do sự hoạt hoá của ē π ở nhân

benzene vớ i vân đạo p tự do của tác nhân thân ē.Tạp chất π tạp chất σ mang điện tích dươ ng do sự tạo thành liên kết cộng hoá trị

giữa tác nhân thân ē vớ i C của nhân thơ m. Nguyên tử C chuyển từ lai tạo sp2 sp3 vớ i cấu

tạo tứ diện của carbon. Nhóm thế nằm trong mặt phẳng thẳng gốc vớ i nhân thơ m giai đoạn này là

giai đoạn chậm.

Tạp chất σ loại proton (H+) để hoàn lại nhân benzene.

+ X+ X+

X

+ H+

Tạp chất π Tạp chất σ





41

1.Phản ứ ng Nitro hóa

Tác dụng của HNO3đđ và H2SO4đđ hay HNO3đđ và andehyd acetic. Nhóm NO2

gắn vào nhân thơ m.

Cơ chế: Vai trò của H2SO4đđ là để chế tạo tác nhân thân điện tử +NO2

H-O-NO2 + H2SO4 O NO2 HH

+ HSO4-

O NO2 HH H2O + NO2

H2SO4 H2O+ H3O++ HSO4

-

HNO3 + H2SO4 H3O+ + NO2 + HSO4-

Nếu không có H2SO4 phản ứng ứng vẫn xảy ra nhưng chậm.

+ NO2

HO2NNO2

Phẳn ứng có thể tiếp tục cho dinitro nhưng vận tốc phản ứng giảm dần.

Nitrobenzen dung để điều chế Anilin. Anilin là nguyên liệu tổng hợ p phẫm màu.

NO2

Fe/HCl

NH2

2.Phản ứ ng sulfon hóa

+ H2SO4

SO3H

(Acid benzen sulfonic)

Ar H + HNO3 Ar NO2 + H2O

(Nitrobenzen)

HNO3đđ

HNO3đđ HNO3đđ

NO2

H2SO4

NO2

NO2

NO2

NO2O2NH2SO4đđ





42

Tác nhân thân ē là SO3

S

O

O

O

Cơ chế:

SO

O

O

HSO3

SO3H

Tươ ng tự phản ứng nitro, phản ứng sulfon hoá tiếp tục cho đi, tri vận tốc giảm dần.

SO3H SO3H

SO3H

SO3H

SO3HHO3S

H2SO4 H2SO4

Acid sulfonic là acid mạnh. Nếu đun vớ i nướ c sẽ thuỷ giải cho ra benzen

C6H5SO3H + H2O C6H6 + H2SO4

Ngườ i ta lợ i dụng phản ứng này để che những vị trí mà ngườ i ta không muốn phản ứng.

Thí dụ: từ Toluen điều chế m-Nitrobenzen.

CH3

H2SO4

CH3

SO3H

SO3H

HNO3

H2SO4

CH3

SO3H

SO3HNO2

H2O

CH3

NO2

3. Phản ứ ng halogen hóa

Thực hiện trực tiếp vớ i Halogen hoặc Halogen vớ i acid Lewis.

Thí dụ:C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Cơ chế:

+ [Cl...Cl...AlCl3]

HClCl

Acid Lewis giúp sự phân cực Cl2





43

4. Phản ứ ng Friedel và Crafts

Phản ứ ng alkyl hoá

(Gắn nhóm alkyl vào benzene) nguồn cung cấp tác nhân thân ē: R+ .

R-X (halogenur alkyl) + acid Lewis.

R-OH (alcol) + H2SO4 hoặc acid Lewis.

Alken + H2SO4 hoặc acid Lewis.

Thí dụ:

Cơ chế:

+ R+

R

+ H+

δδ[R...X...AlX3]

HR R

Đặ c tính phả n ứ ng:

Nhân benzene không mang nhóm rút ē.

Trung gian R+ có sự chuyển vị.

Thí dụ:

CH3 C CH2

CH3

CH3

CH3 C CH2

CH3

CH3

Ta có 2 sản phẩm

CH3 C CH2

CH3

CH3CH3 C CH2

CH3

CH3

Phản ứ ng alkyl hoá ( R C O )

Tác nhân alkyl hoá

R-COX + Acid Lewis (RCOX Halogenur acid)

(R-CO)2O + Acid Lewis (RCO)2O (alhydrid acid).





44

Thí dụ: R-COX + AlCl3 R C O + AlCl3X

Cơ chế:

+ R C O

HC

OH

+ H+

C O

R

Vớ i Alhydrid:

C O C RR

OO+ AlCl3 R C O + RCOOAlCl3

Phản ứng không kèm theo sự chuyển vị, do đó ngườ i ta dung, điều chế alkyl benzene.

III.QUY TẮC THẾ THÂN ĐIỆN TỬ

Vấn đề đặt ra là dự đoán vận tốc phản ứng và vị trí phản ứng (vị trí nhóm nhập)

Ảnh hưở ng của nhóm kề thứ nhất

Vận tốc:

Vớ i nhóm nhã ē làm tăng vận tốc phản ứng, làm tăng hoạt nhân như: CH3-, -C2H5,

-OH, -OR, -SH, -SR, -NH2, -NHR, -CH2-OH, -CH2Cl, -CH2NH2, C6H5-, -Cl, -Br, -I.

Nhóm thế rút ē làm giảm vận tốc phản ứng, làm giảm hoạt nhân: -NO2, -SO3H, -

COOH, -CHO, -COOR, -CN, -CF3, -+NH3, -

+NR3.

Vị trí nhóm nhập

Nhóm thế nhã ē định hướ ng ortho, para

Nhóm thế rút ē định hướ ng meta.

ortho và para meta

Những nhóm định hướ ng ortho và para: -NR, -NHR, -NH2, -OH tăng hoạt mạnh.

Tăng hoạt vừa: -O-R, -NHCO-CH3.

Tăng hoạt yếu: -R

C

O

R CH 2 RHoàn nguyên





45

Nhóm hạ hoạt F, Cl, Br, I (giảm vận tốc những định hướ ng ortho và para)

Nhóm định hướ ng meta: -N≡N, -SO3H, -CHO, -COOH, -COOR

Thí dụ:

CH3

+ HNO3H2SO4

CH3

NO2

+

CH3

NO2

NO2

+ H2SO4

NO2

SO3H

Ảnh hưở ng lập thể Nhóm thế càng lớ n ưu đãi vị trí para

Hidrocarbon O/P

Toluene 1,57

Etyl benzene 0.33

Iso propyl 0,48

t-butyl 0,22

Trườ ng hợ p có 2 nhóm thế:

2 nhóm thế nhả : nhóm nào nhã mạnh định hướ ng O,P đối vớ i nó.

1 nhóm thế nhả 1 nhóm thế rút: nhóm nhã quyết định định hướ ng O,P đối vớ i nó.

2 nhóm rút : nhóm nào rút yếu nhóm đó quyết định sự định hướ ng meta đối vớ i

nó.

Thí dụ:

CH3

CH CH3CH3

HNO3

H2SO4

CH3

CH CH3CH3

NO2





46

1. Phản ứ ng thế thân hạch

Phản ứ ng thế trự c tiếp

Phản ứng thế thân hạc trên nhân thơ m gây nên bở i một tác nhân thân hạch chỉ có ở

điều kiện thử nghiệm:

Nhân thơ m có nhóm rút mạnh ở : O, P.

Nhóm xuất tốt.

Thí dụ:

Cl

NO2

NO2

OH-

NO2

NO2

OH

Cơ chế

ClNO2

NOO

ClNO2

NOO

OH-

NOO

Cl OHNO2

NO2

NOO

OH

Phản ứ ng qua trung gian Arin

trong điều kiện thí nghiệm đặc biệt dù không co nhóm rút e ở nhân thơ m nhưng

phản ứng vẫn xảy ra.

Cl

NaNH2

NH3

NH2

+ Cl

Cơ chế:

Cl

H

NaNH2

2

1NH2

N

H

H

H NH

HNH2

2+

NH21





47

Giải thích: đánh dấu carbon C1, C2

Nếu chất thân hạch bình thườ ng 100% có C1

Nhưng kết quả là 50% C1 và 50% C2

Cơ chế qua trung gian Arin.

2.Phản ứ ng của dây nhánh

Phản ứ ng oxid hoá

Khi tác dung vớ i chất [O] mạnh như KMnO4đđ, HNO3đđ, K2Cr2O7/H2SO4.

Carbon α bị cắt đứt ở Cα nhóm carboxylic (-COOH).

CH3

KMnO4

NH3(l)

COOH

Acid Benzoic

CH CH3CH3

KMnO4

COOH

Phản ứ ng Halogen hoá

Các Hα có tính acid yếu có thể thay thế bở i halogen. Phản ứng cơ chế gốc tự do.

CH3

Cl2

CH2Cl

Clorur benzilHγ





48

BÀI TẬP CƠ CHẾ PHẢN Ứ NG

Bài 1: Cho sơ đồ:

C

CH3

CH

Cl2 askt NaOHB D E

C 3

, Fe Cl2 , NaOH

t0, pCumen(A)

Các phản ứng đều diễn ra theo tỷ lệ mol 1:1, các chất ghi trên sơ đồ đều là sản

phẩm chính. Viết phươ ng trình phản ứng và cho biết cơ chế phản ứng từ A B,

B C. Giải thích sự tạo thành sản phẫm chính của 2 phản ứng này.

Bài 2: a. Cho sơ đồ sau: ,

HCl

Hexin-3 xt t0 C

6H

12Cl

2

Viết phươ ng trình phản ứng và cấu trúc sản phẩm tạo thành

b. Butin-2Br2 , 1:1

A

Xác định cấu trúc của A và gọi tên

Bài 3: Viết công thức đồng phân lập thể đối quang của 2-clo-1,3-dietylciclohexan và cho

biết cấu trúc sản phẩm tạo thành cho các đồng phân đó tác dụng vớ i CH3ONa.

Bài 4: Hoàn thành các chuỗi phản ứng sau:a. CH3I + (CH3)2CHO- b. CH3O

- + (CH3)2CHIc. (CH3)3CCH2I + C2H5O

-

d. (CH3)3Br + CH3O-

e.

Cl

+ (CH3)3CO-

f.

CH2Br

+ (CH3)2CHCH2O-

g.

CH2O-

+ (CH3)2CHCH2Br Bài 5: Hoàn thành các phản ứng sau:





49

a.

C

CH3

CH3

CH3

CH2BrH2O

SN1, E1

b.

CCH2CH3 H2OSN1, E1

CH2

C 3

CH3

Br

c.

C CHCH3

H2O

SN1, E1

C 3

CH 3 Cl

CH 3

d.

CH2 CH CH2Br H2OSN1, E1

CH2

CH2

CH2 CH CH2Br H2O

CH2

CH2

Bài 6: Hãy cho biết sản phâm tạo thành khi thực hiện phản ứng đề hidrat hoá các chất sau

vớ i xúc tác H+. Trình bày cơ chế phản ứng.

a. propan-1,2-điol.

b. 2-metylpropan-1,2-điol.

c. 2-metylbutan-2,3-điol.

Bài 7: a. Viết phươ ng trình phản ưng khi cho alyl clorua benzyl clorua tác dụng vớ i dung dịch

KOH đun nóng..

b. Hợ p chất hữu cơ X có cấu tạo không vòng có công thức C4H7Cl và có cấu hình E.

NaOH trong điều kiện đun nóng thu đượ c sản phẩm bền có công thức C4H8O.

Hãy cho biết cấu trúc của X và cấu hình của sản phẩm tạo thành.

Bài 8 : Viết phươ ng trình phản ứng theo tỷ lệ mol 1:1 của các chất sau đây vớ i dung dịch

Br2 trong CCl4. Giải thích sự định hướ ng phản ứng.:a, CH2= CH- CH2- C ≡ CH b, CH2= CH- C ≡ CH

c, (CH3)2C= CH- CH2- CH= CH2 d, CH3- CH= CH- CH2- CH= CHBr

Bài 9 : Khi cho iso-butilen vào dung dịch HCl có hòa tan NaCl, CH3OH có thể tạo ra hợ p

chất gì? Giải thích.

Bài 10 : Viết sản phẩm và giải thích cơ chế phản ứng của etilen vớ i :





50

a, Br2 trong CCl4 b, Br2 trong H2O c, Br2 trong nướ c pha NaCl

Hướ ng dẫn giải

Bài 1:

(B)

H

CH3

CH

Cl2

CH3

,Fe+

t0

CH3

CH

C 3

+ Cl

Cl

(C)

askt

CH3

CH

CH3

+

Cl

Cl2

C 3

C

C 3

+

Cl

HCl

Cl

(D)NaOH

CH3

C

CH3

Cl

Cl

+

C 3

C

C 3

Cl

OH

+ NaCl

:

Nguyên tử Cl liên kết trực tiếp vớ i vòng benzene khó bị thuỷ phân do có sự giải toả

electron của Cl vào vòng benzene nhờ hiệu ứng +C.

(D)NaOH

t0, p

CH3

C

CH3

Cl

+

C 3

C

C 3

OH

+ NaCl

:

OH

OH

• Cơ chế phản ứ ng từ A → B

Phản ứng theo cơ chế electrophile và nhân thơ m SEAR.





51

+

t0

Cl2 Cl

3 + 2 Fe 2 FeCl3

FeCl3

Cl2

... FeCl4δ+ δ

_

CH

H

CH3CH 3

Cl

+ Cl .. . FeCl4

δ+ δ _+

CH

CH 3C 3

Phøc σ

+ FeCl4

H

ClH Cl

+

CH

CH 3C 3

Phøc σ

CH

CH 3CH 3

+

H + FeCl4 FeCl3 + H Cl

Do gốc (CH3)2CH- có hiệu ứng +I là nhóm thế loại I nên định hướ ng phản ứng thế tiếp

theo vào vị trí ortho và para.. Nên ở giai đoạn tạo phức σ có thể có hai phức σ sau: :

H C l

+

C H

C H 3C H 3

(I)(II)

+

C H

CH 3C 3

H

C l

Do gốc (CH3)2CH- có sự án ngữ về không gian nên dẫn đến Cl+ khó tấn công vào vị trí

ortho nên phản ứng (II) khó hình thành hơ n. Cho sản phẩm chính là :

Cl

CH

CH3C 3

• Cơ chế phản ứ ng B → C

Phản ứng thế theo cơ chế SR, gồm các giai đoạn :

- Khơ i màu phản ứng: :





52

Cl2 Cl2as .

- Phát triển mạnh :

Cl+ .

Cl

CH

CH 3CH 3

Cl

C

CH 3C 3.

+ H Cl

Cl2

Cl

C

CH 3CH 3

.

+

Cl

C

CH3C 3

Cl

+.

Cl

Cứ như vậy …

- Ngắt mạch

Cl2.

+Cl.

Cl

R.

+.

Cl R Cl

R.

+ R.

R R

Cl C

CH3

CH3

..Víi gèc tù do R :

Trong giai đoạn phát triển mạch có thể sinh ra các gốc sau :

(I) (II)

Cl

CH

CH 2CH3

Cl

C

CH 3CH 3

.

.

Gốc (I) bền hơ n do có hiệu ứng +C của vòng benzen và hiệu ứng +H. Gốc (II) kém bền

hơ n do chỉ có hiệu ứng +H.

Nên sản phẫm chính là:





53

Cl

C 3

ClC

CH3

Bài 2:

.

HCl2+C CH2CH3 CH2C CH3 CH3 CH2 CCH2

Cl

Cl

CH2CH3

Cơ chế :

HClCCH3 CH2C CH3CH2

CCH3

CH2

C CH3

CH2

H

Cl CCH3 CH2C CH3CH2

H Cl

CCH3 CH2C CH3CH2

H

H

Cl

HCl

Cl CCH3 CH2C CH3CH2

H

H

Cl

Cl

b. Phản ứng tuân theo quy tắc Maccopnhicop và theo hướ ng cộng hợ p trans.





54

+CCH3 C CH32 Br2

Br

1:1céng trans

CCH3 C CH3

Br

trans - (hay E-)2,3 -®ibrom-2-buten

CCH3 C CH3Br Br

CCH3 C CH3

Br

Br

Br

CCH3 C CH3

Br

Bài 3:

CH3

CH3

Cl

CH3

Cl

CH3

CH3

Cl

CH3

CH3

CH3

Cl

(I) (II)(III)





55

H3C

H3C

H3C

CH3 CH3CH3

H

H HH H

Cl

ClCl

C¶ 2 H ë Cbªn c¹nh ®Òut¸ch ra

Kh«ng t¸ch ®−îc v× Hë C bªn c¹nh kh«ng ®ångph¼ng vµ ®Òu ë vÞ trÝ cis ®èivíi clo

ChØ cã 1 H lµ t¸ch ®−îc

CH3CH3

CH3CH3

1,3-®imetylxiclohexen

1,3-®imetylxiclohexen

H

Quy t ắ c Barton- Hassel : “Phản ứng tách nucleofin ở vòng no chỉ tốt khi các nhóm thế

đượ c tách ra ở vị trí axial – trans”.

Bài 4:

a. CH3I + (CH3)2CHO- I- + CH3 CH OCH3

CH3

b. CH3O- + (CH3)2CHI CH3OH + I- + CH3CH2 CH c.

C

CH3

CH3

CH2

CH2

Khã v× vßng nµy nhá kÐm bÒn

C

CH3

CH2ICH3

CH3

OC

C 3

CH3

CH3

CH2 C2H5

(Phô)

C2H5O-

I-

+

+ I-

+ C2H5OH +

d. (CH3)3CBr + CH3O- CH2 = C (CH3)2 + CH3OH + Br-

e.





56

Cl

+ (CH3)3CO- + (CH3)3COH + Cl- f.

CH2Br

+ (CH3)2CHCH2O

-

CH2OCH2CH(CH3)2

+ Br

-

CH3CH2 C

CH3

CH2O-

+ (CH3)2CHCH2Br

CH2CH2CH(CH3)2

+ Br-

+CH2OH

+ Br-

g.

Bài 5:a.

C

CH3

CH3

CH3

CH2BrH2O

SN1, E1C

CH3

CH3

CH3

CCH3

CH3

CH2 CH2 CH3

CCH 3

CH3

CH 2 CH3

CCH 3

CH 3

CH2 CH 3

O

CCH 3

CH 3

CH CH3 + CCH 2

CH 3

CH2 CH 3C

b.

Br

C

CH3

CH 3

H2O

SN1, E1

CH 3

CH 2 CH2 CH 32

CH2 C

C 3

CH 2

OHCH3CH3 CH C

CH 3

CH 2 CH 3

CH 3 CH 2 C CH 2

CH 2 CH 3





57

c

C

C 3

CH3C

C 3

CH3

CHCH3

Cl

3H2O

SN1, E1CH3

CH3

CHCH3

ChuyÓn vÞCH3

C

CH3

CHCH3 CH3

CH3

s¶n phÈmchÝnh

C

CH3

CCH3 CH3

CH3

C

CH3

CCH3 CH3

OH CH3

d.

CH2 CH CH2Br H2OSN1, E1

CH2

CH2

CH2 CH CH2

CH2

CH2

CH2 C CH2

CH2

CH2

H

ChuyÓn vÞ

hi®ruaCH2 C CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

OH

CH3

CH2 C

CH2

CH2

CH2

CH2 C

CH

CH2

CH3

CH2 CH3

CH2

CH2

CHMë vßng

OH

Bài 6:

a)

+CH3CHCH3 CH2

OH OH

H CH2 CHO H2O





58

Cơ chế :

CH

ChuyÓn vÞCH3

CH3 CH2

OH OH

H CHCH3 CH2

OH OH2

. -H2OCH3 CH

OH

CH2

CH

OH

CH2 CH3H-

OHC CH2 CH3

CHCH3 CH2

OH OH

H CHCH3 CH2

OHOH2

.-H2O

CHCH3 CH2

OH

CH

ChuyÓn vÞhi®rua CHCH3

OH

CH2H CH3 CH2 CHO

CCH3

OH

CH3

CH2

OH

b. H

-H2OCH3 CHO

CH3

+ CH3 C

O

CH2CH3

CCH3

OH

CH3

OHc. CH CH3

H

-H2O CH3 CO

CH CH3

CH3

+ CH3 C CHO

CH3

CH3(c¬ chÕ tr×nh bµy t−¬ng tù c©u a.)

(c¬ chÕ tr×nh bµy t−¬ng tù c©u a.)

C ầ n l ư u ý : Trong trườ ng hợ p ở một nguyên tố cacbon COH có hai nhóm thế khác

nhau thì nhóm nào có tính chất đẩy electron mạnh hơ n sẽ bị chuyển dịch.

Bài 7:

a. CH2 CH2ClCH + KOH CH2 CH2OHCH + KCl+

CH 2Cl

+ KOH + KCl

C 2O





59

b. Vơ i cấu hình E, C4H7Cl có 3 cấu trúc sau :

CH3

C

CH2ClH

C

CH3

Cl..

C2H5

C C

H Cl..

H

III

CH3

C

H

C

H

III

C4H7Clt0

C4H8O C4H7OH:

I và II rất khó thuỷ phân do sự liên hợ p giữa cặp electron không liên kết của Cl và nối

đôi. Thoã mãn điều kiện trên là III.

CH2Cl

Cl(-)CH3

C

H

C

H

CH2

CH3

C

H

C

H

CH2OH

CH3

C

H

C

H

OH

*

- chuyÓn vÞ

OH (-) OH (-)

CH3 CH CH CH2

(D¹ng E)(BiÕn thÓ ra xemic)

CH3 CH CH CH2

Bài 8

a, CH2= CH- CH2- C ≡ CH + Br2 CH2Br- CHBr- C ≡ CH

Khả năng phản ứng cộng electrophin của liên kết đôi (Csp2 ) cao hơ n liên kết ba (Csp) do

độ âm điện Csp > Csp2 nên khả năng giữ eletron của Csp bền hon.

b,





60

CH2Br-CH=C = CHBr

CH2=CH-CBr = CHBr

CH2Br-CHBr-C = CH

CH2 = CH - C = CH1 32 4 + Br2

1,4

3,4

1,2

Có 3 sản phẩm cộng : cộng 1,4 ; cộng1,2 ; cộng 3,4 do có sự liên hợ p giữa các liên

kết π của liên kết đôi và liên kết ba.

c, (CH3)2C = CH - CH2- CH = CH2 + Br2 (CH3)2CBr- CHBr - CH2 -CH = CH2

6 5 4 3 2 1

Do ở C5 có hai nhóm CH3 đẩy electron về phía lien kết đôi nên mật độ electron liên kết

C5

= C4

cao hơ n liên kết C2

= C1

nên khả năng phản ứng electrophin của C5

= C4

6 5 4 3 2 1

CH3-CH = CH - CH2 -CH = CHBr + Br2CH3CHBr - CHBr - CH2 - CH = CH2d,

Khả năng cộng AE của liên kết C5 = C4 cao hơ n liên kết C2 = C1 do ở C5 = C4 có

nhóm CH3 đẩy electron làm tăng mật độ electron, còn ở C2 = C1 có Br hút electron

làm giảm mật độ electron.

Bài 9

Sản phẩm phản ứng là hổn hợ p gồm :

CH3 - CBr - CH3

CH3 - CCl - CH3 CH3 - C- O-CH3

CH3

CH3 - C - CH3

OH

CH3

CH3

OH

CH3

vµ

;

Giải thích dựa vào cơ chế phản ứng-Trong dung dịch các các quá trình phân li :

HBr H+ + Br- NaCl Na+ + Cl-

- Do đó trong dung dịch co 4 tác nhân là Br-, Cl-, H2O và CH3OH có khả năng kết hợ p vfi

cacbocation. Phản ứng theo cơ chế cộng electrophin (AE).





61

-Trướ c hết tác nhân electrophin(H+) tấn công vào Cδ- để tạo cacbocation (giai đoạn chậm)

:

C H 3 C C H 2 + H C H 3 - C - CH 3

C H 3

C H 3

++δ +δ-chËm

-Sau đó là quá trình kết hợ p cacbocation vớ i các tác nhân Br-, Cl-, H2O và CH3OH để tạo

thành sản phẩm (giai đoạn nhanh) :

+

C H 3

C H 3 - C (+)

O H

Br C H 3 - C - Br

C H3

- nhanhC H

3

+ nhanh

C H3

C H 3 - C (+)

O H

Cl -C H 3 - C - Cl

C H 3

C H 3

+nhanhC H 3 - C - O H + H

C H 3

C H 3+

C H 3

C H 3 - C (+)

O H

HOH

+nhanh C H3 - C - O - CH 3 + H

C H3

C H3

+C H3

C H3 - C (+)

O H

C H3O H

Bài 10

a

C = CH

H

H

HH - C - C - H

H Br

Br H

CCl4+ Br2(dd)

Cơ chế :





62

• Giai đoạn chậm (quyết định tốc độ phản ứng) tạo ra cacbocation.

CH2 = CH2 + Br Br CH2 - CH2 - Brδδ δ δ+ + +- -

• Giai đoạn nhanh :

+ -CH2 - CH2 - Br + Br CH2 - CH2

Br

Br

b. Trong dung môi nướ c có sản phẩm Br-CH2-CH2-OH (etilenbromhiđrin) theo cơ chế

phản ứng: Br2 + H2O HBr + HOBr {H+, Br-, HOBr}

CH2=CH2 + Br - OH CH2-CH2 + OH CH2-CH2

Br

OH

Br

-++δ

δ-

Ngoài ra có thể có:

CH2-CH2

Br+

+ Br -CH2 - CH2

Br

Br

c, Tươ ng tự như b, nhưng còn có :

CH2-CH2CH2-CH2

Br Br

+ -+ Cl

Cl

Không tạo ra 1,2 - đicloetan do không có tác nhân Cl+

Như vậ y : Muốn cho phản ứng chỉ tạo ra BrCH2-CH2Br phải tiến hành phản ứng trong

dung môi trơ ( ví dụ : CCl4)





63

KẾT LUẬN

Trong đề tài này đã hệ thống lại một số vấn đề sau:

1) Hệ thống lại một số kiến thức cơ sở về hoá hữu cơ hổ trợ cho việc tìm hiểu cơ chế

phản ứng: Các loại phản ứng, các loại cơ chế, sự cắt đứt liên kết cộng hoá trị trong hoá

hữu cơ (sự đồng ly, dị ly), acid, base, chất thân hạch, thân điện tử,…

2) Phản ứng thân hạch (SN1, SN2, SNi, các phản ứng đặc biệt…): định ngh ĩ a, cơ

chế, yếu tố lập thể, các yếu tố ảnh hưở ng,…

3) Phản ứng tách (E1, E2, E1CB, phản ứng nội khử) : định ngh ĩ a, cơ chế, yếu tố lập

thể, các yếu tố ảnh hưở ng,…

4) Phản ứng cộng thân điện tử (cộng halogen, cộng tác nhân không đối xứng,…):

định ngh ĩ a, cơ chế, yếu tố lập thể, các yếu tố ảnh hưở ng, quy tắc Markonikov, phản

Markonikov,…

5) Phản ứng thế thân điện tử (phản ứng nitro hoá, sulfo hoá,…): định ngh ĩ a, cơ chế,

yếu tố lập thể, các yếu tố ảnh hưở ng,…

6) Cung cấp một số bài tập ứng dụng có lờ i giải mẫu.

Trên đây là hệ thống những cơ chế của hầu hết các phản ứng hữu cơ cơ bản. Do giớ i

hạn của bài viết nên một số vấn đề không đưa vào.

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất

mong quí thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để bài viết sau đượ c tốt hơ n.

Xin chân thành cám ơ n!





64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Thái Doãn T ĩ nh - Cơ sở lý thuyết hoá hữu cơ - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội – Năm 1999

2. PGS.TS Nguyễn Hữu Đính, PGS.TS Đỗ Đ ình Rãng -Hóa học hữu cơ tập 1,2. Nhà

xuất bản giáo dục

3. Nguyên Kim Phi Phụng. Hoá Hữu Cơ (Bài Tập-Bài Giải). Nhà xuất bản Đại học

quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh.





MỤC LỤCMỞ ĐẦU .............................................................................................................. 2NỘI DUNG ........................................................................................................... 3ĐẠI CƯƠ NG VỀ HOÁ ĐẠI CƯƠ NG 3

I. Phản ứ ng hữ u cơ ................................................................................... 3

II.

Cơ chế phản ứ ng .................................................................................. 4III. SỰ CẮT ĐỨ T NỐI CỘNG HOÁ TRỊ CỦA HOÁ HỮ U CƠ ............ 5IV. KHÁI NIỆM VỀ ACID-BASE ............................................................ 5V. CÁC CHẤT TRUNG GIAN HOẠT ĐỘNG ....................................... 7

CƠ CHẾ PHẢN Ứ NGI. TÍNH THÂN HẠCH VÀ TÍNH BASE ............................................... 12II.

NHÓM XUẤT ...................................................................................... 13PHẢN Ứ NG THẾ THÂN HẠCH (ÁI NHẬN) TẠI CARBON BẢO HOÀ

I. ĐỊNH NGHĨA ...................................................................................... 15

II. CƠ CHẾ ............................................................................................... 15PHẢN Ứ NG KHƯ

I.

ĐỊNH NGHĨA ....................................................................................... 24II. CƠ CHẾ ............................................................................................... 24PHẢN Ứ NG CỘNG VÀO LIÊN KẾT ĐÔI CARBON-CARBON

I. PHẢN Ứ NG CỘNG THÂN ĐIỆN TỬ ................................................ 32PHẢN Ứ NG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ VÀO HIĐROCARBON THƠ M

I. CƠ CẤU ............................................................................................... 39II. PHẢN Ứ NG THÂN ĐIỆN TỬ ............................................................ 40III. QUY TẮC THẾ THÂN ĐIỆN TỬ ...................................................... 44

BÀI TẬP CƠ CHẾ PHẢN Ứ NG ......................................................................... 48HƯỚ NG DẪN GIẢI ............................................................................................ 50KẾT LUẬN .......................................................................................................... 63


mỘt sỐ cƠ chẾ phẢn Ứng cƠ bẢn trong hoÁ hỮu cƠ

Documents