cơ chế hữu cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM HÓA HỌC

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sư phạm Hóa học
Đề tài
MỘT SỐ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CƠ BẢN
TRONG HOÁ HỮU CƠ
Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:
ThS. Thái Thị Tuyết Nhung Trần Thành Hiếu
MSSV: 2102159
Lớp:HS1009A1
(SP Hóa Học K.36)
Cần Thơ, 2014
1
MỞ ĐẦU
Hoá học hữu cơ là ngành khoa học, về những tính chất, cấu trúc, thành phần, phản
ứng và cách tổng hợp hợp chất hữu cơ. Nhiệm vụ cơ bản của hoá hữu cơ là: nghiên cứu
tổng hợp các hợp chất hữu cơ và tách biệt các sản phẩm hữu cơ, nghiên cứu xác định cấu
trúc hợp chất hữu cơ, nghiên cứu tính chất và cơ chế phản ứng của các hợp 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. Mục đích đề tài
Nhằm bồi dưỡng học sinh cho các kỳ thi học sinh giỏi của cấp phổ thông trung
học.
2
NỘI DUNG
ĐẠI CƯƠNG VỀ HOÁ HỮU CƠ

I. PHẢN ỨNG HỮU CƠ
1.Phản ứng thế (substitution reaction):
Là phản ứng trong đó một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử được thay thế bởi
một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác. Đây là phản ứng đặc trưng của cho hợp chất no
như alkan hoặc alkyl halide hoặc hợp chất không no như hyđrocacbon thơm.
Ví dụ:
H
3
C Cl Na
+
OH
-
H
3
C OH + Na
+
Cl
-
H
2
O
2. Phản ứng cộng (addition reaction):
Là phản ứng kết hợp hai phân tử tác chất để tạo thành một sản phẩm. Đây là phản
ứng đặc trưng của hợp 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

H
Br Br H C C H

Br
H
Br
H
CCl
4
+
3.Phản ứng tách (elimination reaction)
Là phản ứng ngược lại với 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 mới nhỏ hơn. Đây là phản
ứng dung để điều chế hợp chất chưa no.
Ví dụ: Phản ứng dehydrohalogen hoá (dehydrohalogenation) alkyl halide (RX).
Trong phản ứng này, một phân tử hydrogen halide (HX) được loại trừ và alkyl halide trở
thành alkene.

C C
H
Br
H
H
H
H
KOH
HBr
C C
H
H

H
H
3
4. Phản ứng 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 mới 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 trường acid:
C C
H
H
H
C
H
3
C
H
3
C
CH
3
C C
CH
3
CH
3
CH
3
CH

3
H
+
Tuy nhiên trong thực tế, đa số các phản ứng hữu cơ xảy ra là kết quả của phản ứng kết
hợp của hai hay nhiều phản ứng nói trên.
R C
O
OCH
3
NH
3
R C
OH
OCH
3
CH
2
CH
3
OH
R C
O
NH
2
+
Ester
Amide
II. CƠ CHẾ PHẢN ỨNG
1. Cơ chế phân cực (polar mechanism)
Còn được gọi là cơ chế ion. Đây là loại cơ chế phổ biến nhất. Theo cơ chế này, phản

ứng xảy ra là kết quả tương 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 được hình
thành 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 thường
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 hợp vòng
4
δ+ δ−
III. SỰ CẮT ĐỨT NỐI CỘNG HÓA TRỊ TRONG HÓA HỮU 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 thường xảy ra đối với liên kết cộng hoá trị phân cực. Đó là những liên kết được
hình thành giữa hai nguyên tử của hai nguyên tố có độ âm điện khác nhau. Sự khác nhau về độ
âm điện càng lớn, 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 thường cần một tác
nhân hổ trợ để có thể tách rời hai ion đó. Tác nhân hổ trợ có thể là một tiểu phân có cặp điện tử
tự do có thể tương tác với phân tử phân cực dương 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 được gọi là gốc tự do hay gốc hoá học (free radical, radical):

A:B A + B
Năng lượng cần thiết cho quá trình đồng ly thường được cung cấp bằng cách gia nhiệt
hoặc chiếu sáng.
Ví dụ: Các peroxide chứa các lien kết O-O có thể đồng ly nếu được gia nhiệt thích hợp
tạo thành gốc tự do alkoxyl. Phân tử halogen, X
2
(X= F, Cl, Br, I) có thể bị đồng ly dưới tác
dụng của ánh sang thích hợp.
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
+
.
5

Ví dụ: khi sục khí HCl vào nước: HCl nhường một proton H
+
cho nước vì vậy nó
là một acid; H
2
O nhận một proton H
+
từ HCl nên là một base. Các sản phẩm trong phản
ứng này là ion hydronium (H
3
O
+
) và ion chloride (Cl
-
)
Phân tử hoặc ion tạo thành khi acid mất proton được gọi là base liên hợp của acid
đó. Phân tử hoặc ion tạo thành khi base nhận proton được gọi là acid liên hợp của base
đó. Trong ví dụ trên, ion Cl
-
là base liên hợp của acid HCl và ion hydronium (H
3
O
+
) là
acid liên hợp của H
2
O
Độ mạnh của acid (hay base) có thể xác định dựa vào mức độ phản ứng giữa acid
(hay base) đó với một base (hay acid) thích hợp. Thông thường nước được lựa chọn cho
mục đích này. Vì vậy một cách tổng quát, độ mạnh của acid HA được dựa vào mức độ

phản ứng của acid HA với H
2
O (một base) và được phản ánh qua đại lượng K
a
được gọi
là hằng số acid. Ạcid HA càng mạnh khi có giá trị K
a
càng lớn và ngược lại.

HA + H
2
O H
3
O
+
+ A
-

Ka
K
a
=
[ ][ ]
[ ]
HA
AOH
−+
3
Ngoài ra người ta còn dung đại lượng pK
a

với định nghĩa: pK
a
= -logK
a
Như vậy, acid càng mạnh khi K
a
càng lớn hay pK
a
càng nhỏ và ngược lại.
Tương tự, độ mạnh của một base cũng được xác định dựa vào mức độ phản ứng của base
đó với nước và được đặc trưng bằng hằng số K
b
hay pK
b
Đối với một cặp acid-base liên hợp xác định ta luôn có: pK
a
+ pK
b
= 14
Điều này được phản ánh qua cân bằng sau đây:
NH
3
+ H
2
O NH
4
+
+ OH
-
K

b
= 1.8x10
-5
; pK
b
= 4.74
NH
4
+
+ H
2
O H
3
O
+
+ NH
3
K
a
= 5.5x10
-10
; pK
a
= 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.
6
H
+

+
N H
H
H
H NH
3
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 tạo
thành một ion với điện tích dương trên carbon gọi là carbocation hoặc một ion với điện
tích âm trên carbon gọi là carbanion.
1. Carbocation
Carbocation là một nguyên tử carbon thiếu điện tử nối với ba nguyên tử hoặc ba
nhóm nguyên tử khác (vì vậy carbon có hoá trị 3) nguyên tử carbon ở trạng thái lai hoá
sp
2
nên nằm trong cùng mặt phẳng với 3 nguyên tử liên kết với nó, gốc liên kết khoảng
120
o
. Orbital 2p còn trống nằm thẳng gốc với mặt phẳng này.
C R
1
R
3
R
1
R
2
120
o

120
o
120
o
Do thiếu điện tử nên thông thường carbocation có tính acid Lewis (giống như BF3, hay
AlCl3). Tuy nhiên trong một số trường hợp carbocation có thể hiện tính acid Bronsted tức có thể
cho H
+
:
C Z
C
+
Z
C Z
C
+
Z
Carbocation
Carbanion
Dị ly
Dị ly
7
Các carbocation rất dễ hoạt động, dễ dàng phản ứng với các base Lewis (hay chất
thân hạch). Chính vì khuynh hướng phản ứng với 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 được một cấu hình bền như khí trơ
helium (He) và các tâm carbocation (nguyên tử carbon) đạt được cấu hình bền của Neon
(Ne):

C
O H
H
C O H
H
Carbocation
(acid Lewis)
Base Lewis
Carbocation được gọi là bậc 1
o
, bậc 2
o
và bậc 3
o
khi carbon tương 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
dương trên nguyên tử carbon do đó giúp bền vững hoá carbocation. Ngoài ra còn một số
carboncation bền vững nhờ sự cộng hưởng như là carbocation allyl và benzyl. Độ bền
carbocation theo thứ tự sau:
CH
3
C
CH
3
CH
3
CH
3
C
CH

3
H
~
~
CH
2
~
~
C
C
C
H
H
H
H
H
CH
3
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
vơi trường hợp carbocation, nguyên tử carbon trong carbanion ở trạng thái lai hoá sp
3
trong đó 3 orbital lai hoá sp

3
liên kết với 3 nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) khác và một
orbital lai hoá sp
3
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
N
O
O
N
O
O
Carbanion là những base Lewis mạnh. Trong các phản ứng hoá học, carbanion có khuynh
hướng phản ứng với proton H
+
hoặc những tâm điện tích dương (thiếu điện tử) như các acid
8
Lewis (chất thân điện tử) để trung hoà điện tích âm của nó. Vì vậy, carbanion là chất thân hạch
(nucleophile).
C
H A
δ
δ
C H
+
A
C

+
C L
δ
δ
+
_
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.
Tương tự trường hợp của carbocation, nguyên tử carbon trong carbine cũng ở
trạng thái lai hoá sp
2
và có 1 orbital p còn trống (không có điện tử) định vị thẳng góc
với mặt phẳng chứa các orbital lai hoá sp
2
. một trong 3 orbital lai hoá sp
2
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 với một chất thân hạch như alkene.
Đa số các carbene đều không bền, thường được tạo thành như một chất trung gian
trong các phản ứng hoá học. Đặc biệt các phản ứng của carbene thường mang tính chọn
lọc lập thể cao.

Hợp chất carbene đơn giản nhất là methylene, được tạo thành khi diazomethane
(CH
2
N
2
) bị phân huỷ dưới tác dụng nhiệt hoặc ánh sáng. Một số chất carbene thường gặp
khác là dichlorocarbene (:CCl
2
), một sản phẩm của phản ứng giữa chloroform (CHCl
3
)
voi một base mạnh như KOH.
CH
2
N N
:CH
2
+
N N
Diazomethane Methylene
Nitrogen
9
Đun nóng hoặc
Chiếu sáng
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 (ICH
2
ZnI)., một chất phẳn ứng giống như carbine
methylene, được tạo thành từ hỗn hợp methylene iodide (CH

2
I
2
) và muối Zn(Cu):
CH
2
I
2
+ Zn(Cu) ICH
2
ZnI (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 sp
2
và điện tử tự do nằm trong orbital p định hướng thẳng gốc với mặt phẳng chứa bộ
orbital lai hoá sp
2
này.
Mặc dù trung hoà điện nhưng các gốc tự do rất hoạt động do khuynh hướng 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 3
o
sẽ bền
hơn gốc tự do bậc 2
o
và tương ứng bền hơn gốc tự do bậc 1
o
.
R

R R
R
R H
H
R H
H
H H
>
> >
3
o
2
o
1
o
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) với liên kết σ C-H hoặc σ C-C (giống trường hợp carbocation)
C
orbital sp
2
C
R
sp
3
methylene(carbene)
carbocation
carbanion
H
H

H
Orbital p
trống
CH3
H
H
H
Gốc tự do
methyl
Cấu trúc phẳng của
gốc
tự do với điện tử lẻ
nằm
trên orbital p
C C
H
H
H
H
H
Sự xen phủ của orbital p
chứa điện tử lẻ và liên
kết σ C-H
10
Ngoài ra, sự cộng hưởng cũng giúp bền vững hoá gốc tự do. Vì vậy, các gốc tự do
kiểu allyl và benzyl đều bền vững hơn các gốc tự do alkyl (giống như trường hợp
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.
11
CƠ CHẾ PHẢN ỨNG
I. 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 với tâm thiếu điện tử được 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, NH
3
, H
2

O,…
Chất thân điện tử có thể là cation hay H
+
, hoặc tâm bị phân cực dương 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 với chất thân điện
tử trong khi tính base phản ánh ái lực của chất thân hạch (base Lewis) đối với 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 với 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
-
>> RCO
2
> ROH > H
2
O.
Tuy nhiên tính thân hạch không luôn luôn song song với 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 với
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 hơn F

-
. Ion OH
-
cho phản ứng
thế thân hạch với methyl iodide (CH
3
I) nhanh gần 4000 lần so với ion F
-

Tương tự tính thân hạch và tính base của các anion biến thiên như sau:
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
12
khuynh hướng giữ chặt hơn 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 trường hợp này tính base và tính thân hạch biến đổi ngược 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 với orbital sp
3
cuar taam
carbon thân điện tử hơn so với orbital chứa cặp điện tử tự do của ion F
-
(hay RO
-
).

Khuynh hướng biến đổi tính thân hạch trên cũng là do hệ quả của sự solvate hóa
các ion bởi các dung môi phân cực có chứa proton. Ion có kích thước lơn hơn, độ âm
điện nhỏ hơn sẽ bị solvate hóa hơn và do đó có tính thân hạch mạnh hơn.
Ảnh hưởng của điện tích ion
Khi chất thân hạch có thể hiện dưới dạng anion và dạng phân tử (dạng acid liên
hợp của nó) thì dạng anion luôn có tính thân hạch mạnh hơn dạng phân tử, do anion có
mật độ điện tử lớn hơn thu hút tâm carbon thân điện tử mạnh hơn phân tử trung hòa điện.
Ví dụ: Ion OH
-
có tính thân hạch mạnh hơn H
2
O. Tương tự, ion alkoxide RO
-
có tính
thân hạch mạnh hơn ROH,…
Ảnh hưởng của yếu tố lập thể
Chất thân hạch có kích thước càng lớn sẽ có tính thân hạch càng yếu do khi đó nó
khó tiếp cận tâm carbon thân điện tử hơn. Tuy nhiên tính base biến thiên theo chiều
ngược lại. Nguyên nhân do yếu tố lập thể ít ảnh hưởng đến khả năng nhận proton H
+
của
base trong phản ứng acid-base.
Ví dụ: tert-butoxide (CH
3
)
3
CO có tính thân hạch yếu hơn ion ethoxide CH
3
CH
2

O nhưng
ngược lại ion tert-butoxide có tính base mạnh hơn 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 dưới dạng phân tử trung hòa về điện
nhưng thường là một ion âm. Chính vì vậy nhóm xuất tốt nhất là ion có khả năng bền
vững 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 ngược lại, tức F
-
>> Cl
-
> Br
-
> I
-
).

13
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 (CF
3
SO
3
-
, còn gọi là triflate) là một trong những nhóm xuất tốt
nhất được biết. Ion CF
3
SO
3
-
là base yếu của acid liên hợp rất mạnh CF
3
SO
3
H (mạnh hơn
rất nhiều so với acid H
2
SO
4
).
Một ion có tính base mạnh như OH
-
thường 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
trường acid mạnh, alcolhol sẽ phản ứng với ion halide do nhóm OH
-

được proton hóa tạo
thành ion hydronium và như vậy nhóm xuất khi đó sx tạo ra một phân tử nước 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
được.
14
PHẢN ỨNG THẾ THÂN HẠCH (ÁI NHẬN)
TẠI CARBON BẢO HÒA
(Subtitution Nucleophilic)
I. ĐỊNH NGHĨA
Là phản ứng thay thế nguyên tử (halogen) của akylhalide bởi một chất thân hạch.
Phản ứng thế thân hạch có thể diễn ra theo cơ chế S
N
1 hoặc S
N
2
II. CƠ CHẾ
1. Phản ứng S
N
2
Cơ chế:
Chất thân hạch tấn công vào tâm carbon mang điện tích dương từ phía đối diện với nhóm
xuất tạo thành tạp chất kích động ứng với trạng thái chuyển tiếp I. Ở trạng thái này, liên kết giữa
chất thân hạch (ion OH
-

) và nguyên tử carbon đã phần nào được hình thành và liên kết giữa
carbon và nhóm xuất (ion Cl
-
) cũng đã phần nào bị đứt. Cuối cùng, liên kết giữa oxy và carbon
được hình thành, ion Cl
-
được tách ra khỏi phân tử và cấu hình của sản phẩm và trở nên đảo
ngược so với ban đầu.
Do cả chất thân hạch (ion OH
-
) và tác chất (phân tử CH
3
Cl) cùng tham gia tạo thành tạp
chất kích động với trạng thái chuyển tiếp I nên đây lafphanr ứng có phân tử số là 2 (bimolecular
reaction). Chính vì vậy, phản ứng được gọi là phản ứng tyhees thân hạch S
N
2 (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 với nhóm xuất) nên sản phẩm (đảo ngược trật tự sắp xếp các nhóm thế xung quanh nguyên
tử carbon) so với ban đầu.
Ví dụ phản ứng giữa (R)-(-)-Bromooctane với sodium hydroxide chỉ cho một sản phẩm suy nhất
là (S)-(+)-2-octanol:
15
Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S
N
2
Cấu trúc của alkyl halide:
CH

3
X CH
3
CH
2
X
R CH
R
X
>
>
Methyl
Alkyl halide 1
o
Alkyl halide 2
o
Alkyl halide bậc 3 haaud như không tham gia phản ứng S
N
2
Ngoài ra, vinyl halide (R
2
=CRX) và aryl halide hầu như không tham gia phản ứng S
N
2
(và cả S
N
1)
Còn các halide mạch vòng (cyclic substrale) cho phản ứng thế S
N
2 chậm hơn so với các

halide mach hở (acyclic) ngoại trừ dẫn xuất của cyclopentyl (vòng 5 carbon).
Ảnh hưởng của dung môi
Phản ứng S
N
2 phải được thực hiện trong dung môi phân cực.
Tuy nhiên tương tác giữa chất thân hạch với các phân tử dung môi lại cản trở sự tiếp cận
tâm carbon thân điện tử của chất thân hạch và như thế làm giảm tốc độ phản ứng S
N
2. Dung môi
có khả năng solvate mạnh chất thân hạch là các dung môi phân cực có chứa proton (protonic
solvent) như methanol. Dung môi này có nhóm OH có khả năng tạo liên kết hydro liên phân tử
với chất thân hạch, đặc biệt với chất thân hạch là anion. Chính vì vậy các dung môi thường ít sữ
dụng trong phản ứng thế S
N
2. Các dung môi phân cực không có proton được sữ dụng như
acetonitrile, CH
3
CN; N,N-dimethylformamide, (CH
3
)
3
NCHO (DMF); dimethylacetamide,
(CH
3
)
2
NCOCH
3
; dimethylsulfoxide, (CH
3

)
2
SO (DMSO) và hexamethylphosphoramide (HMPA).
Chất thân hạch
Chất thân hạch càng mạnh phản ứng càng nhanh.
CH
3
Br + Nu:
-
H
2
O
C
2
H
5
OH
CH
3
Nu + Br
-
Nu= HS
-
> CN
-
> I
-
> CH
3
O

-
> HO
-
> Cl
-
> NH
3
> H
2
O
2.Phản ứng S
N
1
HO:
C Br
H
3
C
C
6
H
13
H
HO C
CH
3
Br
H C
6
H

13
HO C
CH
3
H
C
6
H
13
(R)-(-)-Bromooctane
[α]
D
25
=-34.25
o
ee = 100%
(S)-(-)-octanol
[α]
D
25
=+9.90
o
ee = 100%
16
Phản ứng S
N
1 xảy ra qua các trung gian carbocation. Ta thấy phản ứng trên xảy ra
theo 3 giai đoạn với sự tạo thành của 2 hợp 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 S

N
1.
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 được nhờ sự bền vững hoá carboncation của dung môi (sự solvate hoá) Chính sự
solvate hoá này làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng. Tuy nhiên, mặc dù được
nước (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 nước phản ứng nhiều hơn do có
một lượng rất lớn nước hiện diện trong môi trường phản ứng so với OH
-
.
Sự dung môi giải (thuỷ giải nếu dung môi là nước, alcohol giải nếu dung môi là
alcohol) các alkyl halide bậc 3
o
là loại phản ứng quan trọng xảy ra theo cơ chế S
N
1. Trong
các phản ứng này chất thân hạch là chất trung hoà về điện, vì vậy có tính thân hạch tương
đối yếu ( yếu hơn chất thân hạch là anion).
Các ví dụ về phản ứng dung môi giải:
(CH
3
)
3
C Br
+
H
2

O
(CH
3
)
3
C OH
+
H
2
O
(CH
3
)
3
C Cl
+
CH3OH
(CH
3
)
3
C OCH
3
+
HCl
(CH
3
)
3
C Cl

+
(CH
3
)
3
C OCH
3
O
+
HCl
COH
O
H
Cơ chế:
H
3
C C
CH
3
CH
3
Cl
H
2
O
H
3
C
C
+

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

C C
CH
3
CH
3
O
H
H
O
H
H
nhanh
O
H
HH
H
3
C C
CH
3
CH
3
O
H
H
Chậm
17
(CH
3
)C

+
H O CH
O
H O CH
O C(CH
3
)
3
H O CH
O C(CH
3
)
3
nhanh
Cl
-
H O CH
O C(CH
3
)
3
nhanh
O CH
O C(CH
3
)
3
+
HCl
Yếu tố lập thể trong phản ứng S

N
1
Khác với trường hợp phản ứng S
N
2 xảy ra trong một giai đoạn duy nhất với 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 với tác chất; phản ứng S
N
1 xảy ra qua trung gian
carbocation. Do carbocation có cấu trúc phẳng (C lai hoá sp
2
) nên sự tác kích của chất
thân hạch trong giai đoạn tiếp theo có thể xảy ra ở cả 2 bên của mặt phẳng chứa
carbocation với 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 hợp tiêu triền (racemic mixture).
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S
N
1.
Cơ cấu alkyl halide
Phản ứng S
N
1 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 trường acid mạnh thì hầu như chỉ có hợp
chất hữu cơ có khả năng tạo carbocation tương đối bền mới có thể cho phản ứng S
N
1. Do
đó alkyl halide bậc 3, benzyl halide (C
6

H
5
CH
2
X) hay allyl halide (CH
2
=CHCH
2
X) ( hay
các alkyl, benzyl, allyl chứa các nhóm xuất thích hợp khác).
Tương tự như trường hợp của phản ứng S
N
2 các vinyl halide (R
2
C=CRX) và các
aryl halide (C
6
H
5
X) không cho phản ứng thế S
N
1. Ngoài các nguyên nhân đã nêu trong
phản ứng S
N
2 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 hưởng đến tốc độ phản ứng thế S
N

1
Ví dụ:
(CH
3
)
3
C Cl
(CH
3
)C
+
+
Cl
-Chậm
18
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 S
N
1. Những dung môi này thường có hằng số điện môi lớn. Tức khả năng
tách mạnh các ion dương và âm ra khỏi nhau. Giá trị hằng số điện môi của một số dung
môi hữu cơ thông thường được trình bày trình bày trong bảng 2.1 từ đây cho thấy nước
có khả năng hổ trợ quá trình ion hoá rất tốt. Tuy nhiên, do nước hoà tan kém các hợp chất
hữu cơ nên nước tinh chất ít được sữ dụng làm dung môi mà thường dưới dạng hổn hợp
với các dung môi hữu cơ thích hợp khác. Hỗn hợp dung môi methanol-nước hay ethanol-
nước thường được sữ dụng trong các phản ứng thế thân hạch S
N
1.
H

3
C C
CH
3
CH
3
OH
+
HX
H
3
C C
CH
3
CH
3
X
+
H
2
O
2-Methyl-2-propanol
Tốc độ như nhau đối với X=Cl, Br, I)
19
Dung môi Công thức Hằng số
điện môi
Nước H
2
O 80
Acid formic HCOOH 59

Dymethylsulfoxide (DMSO) CH
3
SOCH
3
49
N,N- Dymethylformamide HCON(CH
3
)
2
37
Acetonitrile CH
3
CN 36
Methanol CH
3
OH 33
Hexamethylphosphoramide (HMPA) [(CH
3
)
2
N]P=O 30
Ethanol C
2
H
5
OH 24
Acetone CH
3
COCH
3

21
Acid acetic CH
3
COOH 6
Chloroform CHCl
3
4.8
Diethyl ether C
2
H
5
OC
2
H
5
4.3
Benzene C
6
H
6
2.3
Hexane C
6
H
14
1.9
Bảng 2.1 Giá trị hằng số điện môi của một số dung môi thông thường
3. Điều kiện để có phản ứng S
N
1 và S

N
2
Bốn yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S
N
1 và S
N
2 là:
o Cấu trúc tác chất
o Nồng độ và độ mạnh của chất thân hạch
o Ảnh hưởng của dung môi
o Bản chất nhóm xuất
Phản ứng thế S
N
1 sẽ chiếm ưu thế khi tác chất tạo được carbocation bền, chất thân
hạch tương đối yếu và sữ dụng dung môi có khả năng ion hoá tác chất cao.
Trái lại, phản ứng thế S
N
2 lại ưu tiên cho các chất phản ứng ít chướng 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 hưởng gần như giống nhau trong cả 2 phản ứng S
N
1 và S
N
2.
Ví dụ: trong chuỗi akyl halide thì I
-
là nhóm xuất tốt nhất còn F
-
là nhóm xuất yếu
nhất.

Tóm tắt trong bảng sau:
Các yếu tố S
N
1 S
N
2
Tác chất 3
o
( tạo thành carbocation bền) Methyl > 1
o
> 2
o

(ít chướng ngại lập thể)
Chất thân hạch Base Lewis yếu, các phân tử trung Base Lewis mạnh nồng
20
hoà hoặc có thể là phân tử dung
môi ( sự dung môi giải)
độ cao
Dung môi Phân cực, có proton (rượu, nước,
…)
Phân cực, không có
proton (DMF, DMSO,
…)
Nhóm xuất ảnh hưởng như nhau trong cả hai loại phản ứng: nhóm xuất
càng tốt khi nó có tính base càng yếu.
Bảng 2.2 các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thế S
N
1 và S
N

2.
4. Các phản ứng đặc biệt
a. Phản ứng S
N
i
Phản ứng SN1 xảy ra với sự tiêu triền hoá, phản ứng SN2 với 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 với các
hợp chất như Clorosulfit alkyl, cloroformiat alkyl.
R-OH + SOCl
2
RCl + SO
2
+ HCl
V= k[R-OH][SOCl
2
]
Hoá học lập thể
Trong dung môi dioxin không có sự hiện diện của pyrimidin, có cơ chế được
đề nghị.
C O
R
1
H
R
2
R
3
+
SOCl

2
C O
R
1
R
2
R
3
S O
Cl
C O
R
1
Cl
R
2
R
3
+
SO
2
Cơ chế hoà đồng.
C O
R
1
R
2
R
3
S O

Cl
R
1
C Cl
R
2
R
3
+
SO
2
C Cl
R
1
R
2
R
3
Sự loại SO
2
cần sự trợ giúp của dung môi.
b. Phản ứng Halogenur alil
Cơ chế S
N
1’: halogenur alkyl chp phản ứng S
N
1 xảy ra dễ dàng vì C
+
bền. Phản
ứng S

N
1’ xảy ra với sự di chuyển liên kết đôi từ vị trí ban đầu đến vị ví cận trên sườn
carbon.
Thí dụ:
21
o
o
R CH CH CH
2
Cl
R CH CH CH
2
R CH CH CH
2
S
N
1
S
N
1'
R CH CH CH
2
OH
R CH CH CH
2
OH
Cơ chế S
N
2’: đồng thời xảy ra với S
N

2 đôi khi xảy ra với S
N
2’. Tác nhân thân hạch
tác kích C
γ
thay vì C
α
.
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 S
N
2 nội thế (nghịch chuyển lần một)
giai đoạn 2 tác kích chất thân hạch S
N
2 bình thường (nghịc chuyển lần 2). Ion OH
-

chỉ can
thiệp vào phản ứng sau khi qua trung gian α-lacton được tạo thành.
+ Nhóm kề là nhóm halogen.
Phản ứng S
N
1 xảy ra tại một gnuyeen tử carbon liên kết với một halogen trung
gian là ion Halonium.
Thí dụ: sự dung môi giải p-tosilat-Trans-2-Iodo ciclohexil trong dung môi acetic
nhanh hơn 1000 lần sự dung môi trung gian ion Iodonium.
CH
3
CH
2
CH
Cl
CH CH
2
CH
COOEt
COOEt
+
C
2
H
5
CH CH CH
2
CH
2
(COOEt)

2
γα
α-lacton
C C
O
O
Br
CH
3
H
C C
O
H
CH
3
O
OH
-
C C
O
O
OH
CH
3
H
22
I
OTs
OAc
I

OAc
I
OAc
+ Nhóm kề là nhóm ester.
Tác dụng với CH
3
COOAg trên acetate-2-Brom ciclohexil. Trong acetic khan
nước. Trong đó Br được thay thế bởi nhóm acetate dạng Trans biến đổi nhanh hơn dạng
Cis và hoá học lập thể của hai phản ứng khác nhau.
Dạng trans biến đổi nhanh hơn do có sự tham gia của nhóm kề.
Br
O
CO
CH
3
OAc
O O
OAc
OAc
C
CH
3
AcO
-
Br
OAc
Trans
CH3COOAg/CH3COOH
Nhanh
OAc

OAc
Br OAc
Cis
Chậm
23
PHẢN ỨNG 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 bởi 2 nguyên tử hoặc 2 nhóm khác
II. CƠ CHẾ
1. Cơ chế E2:
Phản ứng E2 xảy ra khi alkyl halide xảy ra với 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
với alkylhalide và bậc 1 đối với chất thân hạch (base). Giống như phản ứng thế S
N
2, 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 thời sự hình thành liên kết C=C và sự ra đi của nhóm
xuất. Do cả alkylhalide và base điều tham gia vào tạp chất kích động ứng với 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 với 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
với cấu hình này thì sự xen phủ của hai orbital sp
3
ban đầu (liên kết C-H và C-X) mới có
thể xảy ra và orbital kiểu mới kiểu π trong alkene mới được 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
R
R
X
B:
C C
H
R
R
R
R
X
B
C C
R
R
R

R
+
B H
+ X
Trạng thái chuyển tiếp
24
C
C
H
Ph
Br
H
Br Ph
B:
KOH
Ethanol
C
C
H
Ph
Br
Ph
PhH
Br
H
PhBr
Br Ph
Ph
H
meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane

(E)-1-bromo-1,2-diphenylethylene
Đối với hợp 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
với nhau thì sự khử E2 mới xảy ra được.
Halogen ở vị trí trục: H và X định hướng thích hợp (anti periplanar)
Halogen ở vị trí xích đạo: H và X định hướng không thích hợp

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 được 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[(CH
3
)
3
Cl].
H
H
X
Base
+
HX
H
H
X
H
H
Base

Không phản ứng
CH
3
C CH
3
Cl
CH
3
C C
H
H
H
H
3
C
H
3
C
Base
+
Cl
C C
H
H
H
3
C
H
3
C

nhanh
Giai đoạn tốc định
25