TIỂU LUẬN PHẢN ỨNG THẾ OXI Ở NHÓM CACBONYL

LỚP CAO HỌC LL&PPDH HÓA HỌC_K23
LỚP CAO HỌC LL&PPDH HÓA HỌC_K23
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỮU CƠ
GVHD : TS. Nguyễn Tiến Công
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Tuyết
TP. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
Chuyên Đề 8:

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đặng Đình Bạch, Những vấn đề hóa học hữu cơ, NXB khoa học và kỹ thuật Hà
Nội.
2. Hồ Xuân Đậu, Cơ sở hóa học hữu cơ, Đại học Sư phạm tp.HCM.
3. Võ Thị Thu Hằng, Cơ sở lý thuyết hóa học hữu cơ, Đại học Sư phạm tp.HCM.
4. Đỗ Đình Răng (chủ biên), Đặng Đình Bạch, Nguyễn Thị Thanh Phong (2005). Hóa
học hữu cơ (Tập 2), Nhà xuất bản giáo dục.
5. Trần Quốc Sơn (1998), Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Nhà xuất bản giáo dục.
6. Trần Quốc Sơn (1979), Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ (Tập 2-cơ chế phản ứng), Nhà
xuất bản giáo dục.
7. Trần Quốc Sơn (2001), Một số phản ứng của hợp chất hữu cơ, NXB giáo dục.
8. Trần Quốc Sơn, Đặng Văn Liếu (2005), Giáo trình cơ sở hóa học hữu cơ (tập 2),
Nhà xuất bản Đại học Sư phạm.
9. Phan Tống Sơn – Trần Quốc Sơn - Đặng Như Tại, Cơ sở hóa học hữu cơ (tập 2),
NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp.
10. Đặng Như Tại, Ngô Thị Thuận (2011), Hóa học hữu cơ (tập 2), NXB giáo dục Việt
Nam.
11.Thái Doãn Tĩnh (2002), Giáo trình cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Nhà xuất bản khoa
học và kỹ thuật.
12. Trần Thị Tửu, Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ (tập 2), TP. Hồ Chí Minh.

13. Reinhard Bruckner (2002), Advanced Organic Chemistry, Higher Education.

1.1. Đặc điểm của hợp chất RCOX
1.2. Cơ chế chung
1.3. Cơ chế phản ứng thủy phân este
1.3.1. Cơ chế phản ứng thủy phân este được xúc
tiến bằng bazơ. Sự xà phòng hóa
1.3.2. Cơ chế phản ứng thủy phân este và este hóa
nhờ xúc tác axit
1.4. Cơ chế phản ứng thế nhóm X ở các dẫn xuất khác
của axit cacboxylic
1.4.1. Clorua axit
1.4.2. Anhydrit axit
1.4.3. Amit
2.1. Phản ứng AcB2
2.1.1. Ảnh hưởng của gốc R nối với nhóm C=O
2.1.2. Ảnh hưởng của nhóm X
2.1.3. Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin Y
2.2. Phản ứng AcA2
2.2.1. Ảnh hưởng của gốc R nối với nhóm C=O
2.2.2. Ảnh hưởng của nhóm X
2.2.3. Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin Y
D
À
N
B
À
I
Chương 1.
Phản ứng thế

nhóm x nối với
nhóm C=O của
axit cacboxylic
Chương 2. Những
yếu tố cấu tạo ảnh
hưởng đến khả
năng phản ứng
S
N
2(CO)

1.1. Đặc điểm của hợp chất RCOX
Chương 1.
PHẢN ỨNG THẾ NHÓM X NỐI VỚI NHÓM C=O
PHẢN ỨNG THẾ NHÓM X NỐI VỚI NHÓM C=O
CỦA AXIT CACOXYLIC
CỦA AXIT CACOXYLIC
X =OH (axit) , OR’ (este) , Hal (halogenua axit), OCOR’ (anhydrit
axit), NR
2
(amit) , . . .
Gốc
hidrocacbon
Khác cacbon
và hiđro, có
hiệu ứng –I, +C
R C X
O



khả năng phản ứng cộng nucleophin của nhóm C=O ở axit và
dẫn xuất thường không bằng ở andehyt và xeton.
R C X
O
Y
R C Y
O
X
Dưới đây sẽ nói về phản ứng thế nucleophin đó.
δ+
δ–
R C X
O

1.2. Cơ chế chung: thế nucleophin lưỡng phân tử S
N
2
(CO)
- Hầu hết mọi PƯ thế nucleophin nhóm X trong hợp chất RCOX đều
là PƯ lưỡng phân tử gồm 2 giai đoạn.
+
Y
─
→
chaäm
→
nhanh
+
X
─

R C X
O
R C X
Y
O
R C
O
Y
- Để phân biệt với cơ chế S
N
2 thông thường người ta gọi đó là cơ
chế S
N
2(CO).

1.3. Cơ chế phản ứng thủy phân este
1.3.1. Cơ chế phản ứng thủy phân este được xúc tiến bằng bazơ. Sự
xà phòng hóa
1.3.1.1. Phân loại
(1) Kiểu phân cắt
R─CO ─OR’ (Phân cắt Acyl-oxi (Ac))
R─COO ─ R’ (Phân cắt Ankyl-oxi (Alk))
(2) Kiểu xúc tác
Xúc tác axit (ký hiệu là A)
xúc tác bazơ (ký hiệu là B)
(3) Số phân tử phản ứng
đơn phân tử (1)
lưỡng phân tử (2)
Chia phản ứng thủy phân este được xúc tiến bằng bazơ thành 4 loại :

Thực nghiệm :
- Phổ biến nhất là: AcB2
Sau đó đến : AlkB1
Cắt Ac – O
(cắt Acyl – oxi)
R─CO ─OR’
AcB2 và AcB1
Cắt Alk – O
(cắt Alkyl – oxi)
R─COO ─ R’
AlkB2 và AlkB1
- chưa tìm thấy AcB1
Rất ít gặp AlkB2

1.3.1.2. Cơ chế AcB2
- Phản ứng là 1 chiều vì giai đoạn cuối là bất thuận nghịch (do ion RCOO– không tác
dụng được với R’OH ).
- Giai đoạn chậm quyết định vận tốc phản ứng là giai đoạn tấn công của HO
–

vào nhóm C=O.
R C
O
OH
R'O
R C
O
O
R'OHR C OR'
O

HO

→
←
Chậm
→
←
nhanh

nhanh
→
Chú ý:
Đặc điểm:
- Ưu đãi cho ancol bậc thấp
- Phân tử este bị phân cắt ở liên kết Acyl-oxi
- Cơ chế pư thủy phân este được xúc tiến bằng bazơ là cộng nucleophin
HO
–
vào nhóm C=O rồi tách đi R’O
–
R C OR'
O
OH

Cơ chế:
(thực chất là cơ chế S
N
2(CO))
δ+
δ–

- Vận tốc của các phản ứng thủy phân este đơn giản trong kiềm tuân
theo phương trình động học: v = k [ RCOOR’] [OH
–
]
- Người ta dùng etylpropanoat với
18
O ở nhóm etoxi rồi tiến hành thủy
phân trong bazơ. Sau khi phân lập các sản phẩm thì thấy
18
O chỉ ở
trong etanol, còn trong natripropanoat không chứa
18
O :
OH
18 18
3 2 2 5 3 2 3 2
CH CH CO OC H NaOH CH CH COONa CH CH OH
−
+ → +
 Phản ứng trên chứng tỏ có sự phân cắt acyl - oxi
……………
Dẫn chứng từ thực nghiệm

Ví dụ:
n
hanh
C
OH
O

OC
2
H
5
18
C
2
H
5
C
2
H
5
OH
C
O
O
─
18
C
2
H
5
OC
2
H
5
C
OH
O

18
C
2
H
5
HO
─
C
O
OC
2
H
5
18
C
2
H
5
nhanh
Chậm
–

1.3.1.2. Cơ chế AlB1
- Đây là phản ứng thủy phân đơn phân tử làm đứt liên kết ankyl-oxi
(AlkB1)
- Phản ứng chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định về cấu tạo của
R’(bậc cao) trong RCOOR’ và về dung môi (phân cực mạnh) có thể
xảy ra sự phân ly RCOOR’thành RCOO─
──
và R’

+
.
Đặc điểm:
Cơ chế:
RCOOR’
Chậm
RCOO
–
+ R’
+
+H
2
O
–H
+
RCOO
–
+ R’OH

Dẫn chứng từ thực nghiệm
- Vận tốc của phản ứng tuân theo phương trình động học v = k [ RCOOR’]
- Phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm yếu:
- Thủy phân este của t-C
4
H
9
OH trong H
2
18
O ta thu được t-C

4
H
9
18
OH
CH
3
COO-t-C
4
H
9
+ H
2
18
O  CH
3
COOH + t-C
4
H
9
18
OH
- Nếu thủy phân este của một ancol quang hoạt thì sau phản ứng ta thu
được ancol racemic

R’ phải là gốc bậc cao để tạo được cation R’
+
tương đối bền. (pư
theo kiểu S
N

1)

Ví dụ:
COOH
COOCH
Ph
OCH
3
Quang hoạt
CH
Ph
OCH
3
+
OCH
3
CH
Ph
HO
Hỗn hợp racemic
H
2
O

1.3.2.
1.3.2.
Cơ chế
Cơ chế
phản ứng
phản ứng

thủy phân este và este hóa nhờ
thủy phân este và este hóa nhờ
xúc tác
xúc tác
axit
axit
1.3.2.1. Phân loại
Thực nghiệm :
Cách phân cắt Xúc tác axit
Cắt Ac – O
(cắt Acyl – oxi)
R─CO ─OR’
AcA2 và AcA1
Cắt Alk – O
(cắt Alkyl – oxi)
R─COO ─ R’
AlkA2 và AlkA1
- chưa tìm thấy AlkA2
Rất ít gặp AcA1
- Phổ biến nhất là: AcA2
Sau đó đến : AlkA1

1.3.2.
1.3.2.


Cơ chế
Cơ chế
phản ứng
phản ứng

thủy phân este và este hóa nhờ
thủy phân este và este hóa nhờ
xúc tác
xúc tác
axit
axit
1.3.2.2. Cơ chế Ac-A2:
16
TH Y PHÂN ESTEỦ
O
C
R
OR’
–H
+
+
OH
2
+H
+
–H
+
O
H
C
OR’
R
O
+
H

O
H
R
C
OR’
OH
+
–R’OH
O
H
R
C
OH
+
+ HOR’
R OH
C
O
+HOR’
Thủy phân este
Este hóa
O
C
R
OR’
H
+
- Ưu đãi cho ancol bậc 1 và ancol bậc 2.
- Thực chất phản ứng xảy ra theo cơ chế lưỡng phân tử S
N

2(CO) làm
đứt liên kết acyl-oxi (AcA2).
Đặc điểm:
H
H

17
–H
+
+H
+
–H
2
O
O
H
R
C
OR’
+
+ H
2
O
R OR’
C
O
+H
2
O
O

C
R
OH
P ESTE HÓAƯ
O
C
R
OH
H
+ HOR’
+
O
H
C
OH
R
OR’
+
H
O
H
C
OH
2
R
OR’
+

Dẫn chứng từ thực nghiệm
- Vận tốc của phản ứng thủy phân este nhờ axit và phản ứng este hóa

lần lượt tuân theo phương trình động học: v = k [ RCOOR’] [H
+
] (vì nồng
độ nước trong dung dịch không thay đổi) và v = k [ RCOOH] [R’OH]
- Người ta thiết lập được rằng khi este hóa axit benzoic bằng CH
3
18
OH
sinh ra nước thường ; mặt khác khi thủy phân benzoatmetyl bằng H
2
18
O
nhờ chất xúc tác axit , sinh ra metanol thường CH
3
OH.
C
6
H
5
COOH + H
18
OCH
3
 C
6
H
5
CO
18
OCH

3
+ HOH
C
6
H
5
COOCH
3
+ H
18
OH  C
6
H
5
CO
18
OH + CH
3
OH
Phản ứng trên chứng tỏ có sự phân cắt acyl - oxi

1.3.2.3. Cơ chế AlA1:
- Ưu đãi cho ancol bậc 3.
- Thực chất phản ứng xảy ra theo cơ chế đơn phân tử theo kiểu S
N
1
làm đứt liên kết ankyl-oxi (AlkA1):
Đặc điểm:
Cơ chế:
R–C–O–C

O
R
1
R
2
R
3
+H
+
R–C–O–C
OH
R
1
R
2
R
3
+
Chậm
R
1
R
2
R
3
C
+
+H
2
O

–H
+
R
1
R
2
R
3
C
HO–
E1
–H
+
anken
Lưu ý:
R–C=O
OH
+
R
1
R
2
R
3
C
+

Dẫn chứng từ thực nghiệm
- Thủy phân este CH
3

COOC(C
6
H
5
)
3
bằng H
2
18
O trong môi trường axit thu
được (C
6
H
5
)
3
C-
18
OH
CH
3
COOH +
CH
3
COOC
C
6
H
5
C

6
H
5
C
6
H
5
C
C
6
H
5
OH
18
C
6
H
5
C
6
H
5
H
+
+ H
18
OH
- Thủy phân este CH
3
COOC(CH

3
)(C
2
H
5
)(i-C
3
H
7
) quang hoạt thu được ancol
racemic
*
CH
3
COOH +
H
+
+ HOH
CH
3
COO-C
CH
3
C
2
H
5
C
3
H

7
-i
-C
CH
3
C
2
H
5
C
3
H
7
-i
HO
Hỗn hợp racemic
- Vận tốc của phản ứng tuân theo phương trình động học v = k [ RCOOR’]

CH
3
CH
2
–C–O–C
O
CH
3
CH
3
CH
3

+H
+
Chậm
CH
3
CH
2
–C=O
OH
CH
3
CH
2
–C–O–C
CH
3
CH
3
CH
3
+
OH
CH
3
CH
3
C
+
CH
3

–
+
CH
3
CH
3
CH
3
C
+
E1
–H
+
CH
3
CH
3
C
CH
2
=
Ví dụ: Thủy phân este CH
3
CH
2
COOC(CH
3
)
3
bằng H

2
18
O
CH
3
CH
3
C
CH
3
–
OH
18
+H
2
O
–H
+
18

22
1.
1.
4. Cơ chế pứ thế nhóm X ở các dẫn xuất khác của axit cacboxylic
4. Cơ chế pứ thế nhóm X ở các dẫn xuất khác của axit cacboxylic
Tương tự este, phản ứng thế nucleophin nhóm X ở các dẫn xuất
khác của axit cacboxylic thường cũng xảy ra theo cơ chế S
N
2
(CO)

gồm 2 giai đoạn:

Cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl

Tách nhóm X.
Phản ứng thủy phân nhóm X của các dẫn xuất tương tự như phản
ứng thủy phân este, được xúc tác bởi H
+
hay OH
-
(riêng halogenua
axit và anhyđit axit bị thủy phân mạnh, không cần xúc tác)

Clorua axit có thể tác dụng với tác nhân nucleophin như H-OH, HOR’…
không cần cho thêm axit hay bazơ khác.
1.4.1. Clorua axit
+ HCl
_
H
(
)
R C
OH
O
Tuy vậy khi cho clorua axit tác dụng với alcol tạo ra este người ta thường
cho thêm bazơ để trung hòa HCl sinh ra.
R
C Cl
O
H

2
O
R
C Cl
OH
2
O
_
Cl
R C
O
O
H
H

1.4.2. Anhyđrit axit
- Tương tự clorua axit, nhưng khả năng phản ứng thấp hơn và
thường dùng xúc tác axit hoặc bazơ.
R C OCOR
O
HOH
R C OCOR
OH
2
O
R C
O
O
H
H

–OCOR
2RC
O
OH
–H
+

- Nếu cho thêm bazơ thì phản ứng rất nhanh vì ion OH
-
tác dụng mạnh
hơn H
2
O nhiều.
- Nếu cho thêm axit phản ứng cũng được xúc tiến, vì axit đã proton
hóa anhydrit do đó làm cho ở nguyên tử cacbon-cacbonyl tăng lên, tạo
điều kiện thuận cho tác nhân nucleophin tấn công.
δ+