Lý thuyết tổng hợp hóa hữu cơ

-1-
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN THƯỜNG GẶP TRONG HÓA
HỌC VÀ TRONG KỸ THUẬT TỔNG HỢP HÓA HỌC
1.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN THUYẾT ĐIỆN TỬ
Nguyên tử cấu tạo gồm hạt nhân mang điện tích dương, khối lượng chiếm
hầu hết khối lượng nguyên tử và điện tử mang điện tích âm với khối lượng không
đáng kể. Nguyên tử trung hòa về điện nên tổng số proton trong hạt nhân bằng tổng
số electron trong lớp vỏ:
Số proton = số electron
Các electron chuyển động quanh hạt nhân thành đám mây chia thành nhiều
lớp theo một quy luật nhất định, những electron ở lớp trong liên kết với hạt nhân
bền chặt hơn những electron ở lớp ngoài. Do đó năng lượng electron ở lớp trong
thấp hơn năng lượng electron ở lớp ngoài. Và các lớp từ trong ra ngoài được kí
hiệu K, L, M…
Lớp electron hóa trị- lớp electron ngoài cùng là lớp electron tham gia vào
việc tạo thành liên kết, quyết định tính chất hóa học của nguyên tử. Lớp này thay
đổi từ 1 đến 8.
Nguyên lý cơ bản của thuyết điện tử: Tất cả biến đổi hóa học của nguyên tử
đều do sự biến đổi của lớp điện tử ngoài cùng của nguyên tử. Khi lớp ngoài cùng
đã đủ 8 điện tử (trừ hidro chỉ có 2) thì không xảy ra phản ứng nữa. Trong hóa học
gọi quy tắc này là “quy tắc bát tử” (8 điện tử).
1.2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT HOÁ HỌC
Theo nguyên lí của thuyết điện tử, các nguyên tử có khuynh hướng thu xếp
thế nào để lớp ngoài cùng có đủ 8 điện tử để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm.
Vì vậy chúng liên kết với nhau. Vì vậy nguyên tử có hai các sắp xếp điện tử ứng
với việc tạo hai liên kết như sau:
-2-
Sự phát triển của lý thuyết về liên kết hóa học được hai nhà hóa học đưa ra:
năm 1926, nhà hóa học Kosen (Đức) đưa ra thuyết liên kết ion và nhà bác học
Luit đã đưa ra thuyết liên kết cộng hóa trị.

1.2.1. Liên kết ion
Liên kết giữa hai nguyên tử có thể hình thành bằng sự chuyển một hay
nhiều điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác bằng lực hút tĩnh điện giữa
các ion tích điện trái dấu tạo thành liên kết ion. Trong nguyên tử, hạt nhân mang
điện tích dương được bao quanh bởi các điện tử phân bố thành các lớp khác nhau.
Trên mỗi lớp có số điện tử nhất định: 2 điện tử ở lớp thứ nhất, 8 hoặc 18 trên lớp
thứ 3…Sự tạo thành hợp chất là kết quả của sự tạo thành lớp bão hòa. Ví dụ trong
phân tử LiF, LiCl:

Li
+
Cl
Li
+
+
Cl
-
Cl
Li

Hoặc trong phân tử LiCl có thể biểu diễn cụ thể hơn:
-e
Li
+
Li
e
+
Li Li
+
+e

F
-
F
+
e
F F
-

Li
+
+
F
-
LiF

Liên kết ion chỉ áp dụng đối với kim loại điển hình và phi kim điển hình
nghĩa là độ lệch độ âm điện lớn.
1.2.2. Liên kết cộng hoá trị
-3-
Liên kết giữa hai nguyên tử do sự góp electron để tạo cặp electron dùng
chung cho hai nguyên tử. Ví dụ trong phân tử H
2
, C
2
H
4
, N
2
:
HH C C

N N

Hoặc trong phân tử HCl có thể biểu diễn cụ thể hơn dựa vào số điện tử lớp
ngoài cùng mà hai nguyên tử góp chung điện tử thế nào để đạt cấu hình bền vững
của khí hiếm.
+
Cl
Cl
H
H

Như vậy liên kết cộng hóa trị hình thành giữa những phân tử của cùng một
nguyên tử hoặc những nguyên tử có độ lệch độ âm điện không lớn.
Tuy nhiên có một trường hợp đặc biệt là đôi điện tử dùng chung không phải
là do mỗi nguyên tử góp một điện tử mà chỉ do một nguyên tử cho. Và liên kết
như vậy gọi là liên kết phối trí hay liên kết cho nhận. Chẳng hạn phân tử NH
4
Cl:
H
H
H
N
+
H
Cl
N
H
H
Cl

H
H
(+)
(-)

Nitơ thừa điện tử nên khi hình thành liên kết nó cho H của HCl tạo NH
4
+
.
Khi đó nguyên tử Cl thành Cl
-
. hai ion này kết hợp với nhau tạo thành phân tử
NH
4
Cl. Liên kết phối trí được biểu diễn bằng mũi tên hướng về phía nguyên tử
nhận. Phân tử có thể biểu diễn như sau:
(+)
(-)
N H
H
H
H
Cl

Thuyết liên kết ion và thuyết liên kết cộng hóa trị đều tuân theo quy tắc bát
tử: sự cho hoặc nhận electron, sự góp chung electron đều đảm bảo electron của khí
hiếm.
-4-
1.3. HIỆU ỨNG HOÁ HỌC
Hiệu ứng nghĩa là sự ảnh hưởng lên nhau của của các nguyên tử trong cùng

một phân tử gây nên sự thay đổi sự phân bố điện tích trong phân tử. Tùy loại liên
kết mà gây ra các hiệu ứng khác nhau.
1.3.1. Sự phân cực liên kết cộng hóa trị - Hiệu ứng I
1.3.1.1. Khái niệm về hiệu ứng cảm ứng
Là sự phân cực của liên kết cộng hóa trị do sự dịch chuyển đôi điện tử về
phía một trong hai nguyên tử tạo thành một phân tử có cực với điện tích khác nhau
rất nhỏ gọi là điện tích riêng phần.
Nếu một phân tử gồm những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử giống nhau
thì đôi điện tử phân bố đều giữa hai nguyên tử, đám mây điện tử phân bố đều giữa
hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử. Chẳng hạn phân tử Cl
2
hoặc C
2
H
6


Cl Cl
Cl Cl

CH
3
CH
3
CH
3
CH
3

Nhưng nếu hai nguyên tử khác nhau thì đôi điện tử sẽ bị lệch về một phía,

đám mây điện tử không phân bố đều giữa hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mà
lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Ví dụ trong phân tử sau:
H Cl
H
Cl
H Cl

Hoặc H
δ(+)
- Cl
δ (-)

Với phân tử CH
3
Cl:
CH
3
Cl
CH
3
Cl
CH
3
Cl

-5-
CH
3
Cl hoặc CH
3

δ(+)
- Cl
δ (-)


Vậy sự phân cực của các liên kết xích ma σ là nguyên nhân gây ra hiệu ứng
cảm ứng, chiều chuyển dịch điện tử được miêu tả bằng mũi tên


1.3.1.1. Quy luật về hiệu ứng cảm ứng
Mômen lưỡng cực μ đánh giá một cách định lượng mức độ phân cực đo
bằng D(Đebai). Nếu lấy sự phân cực của H trong phân tử H
2
làm chuẩn thì nguyên
tử hoặc nhóm nguyên tử hút điện tử mạnh hơn H sẽ có giá trị hiệu ứng âm ký hiệu
là –I, ngược lại nguyên tử hay nhóm nguyên tử hút điện tử yếu hơn H sẽ có giá trị
hiệu ứng dương kí hiệu +I.
Quy luật:
a. Các nhóm mang điện tích dương có hiệu ứng –I, các nhóm mang điện
tích âm có hiệu ứng +I
Ví dụ: nhóm –N
+
R
3
là nhóm –I mạnh, nhóm –O- là nhóm +I mạnh
b. Nếu các nguyên tử của cùng một nguyên tố cùng một chu kì nhỏ hay
phân nhóm chính đều có hiệu ứng –I thì hiệu ứng –I tăng từ trái sang phải và giảm
từ trên xuống dưới theo chiều tăng của điện tích hạt nhân. Có thể biểu diễn như
sau:
-I

Cl < N < O < F
CH
3
< NH
2
< OR < F
I < Br < Cl < F
-6-
c. Các nhóm ankyl luôn có hiệu ứng +I và tăng theo bậc của nhóm:
CH
3
< CH
3
CH
2
< CH(CH
3
)
2
< C(CH
3
)
3

d.Trạng thái lai hóa của cacbon có –I biến đổi:
C
sp
> C
sp2

> C
sp3
Tức là :
RC C- R
2
C CR-
C
6
H
5
-

1.3.1.1. Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng
Hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh khi kéo dài mạch truyền ảnh hưởng và thực
tế hiệu ứng này không lan qua cacbon thứ ba trong mạch thẳng. Chẳng hạn:
δ- δ+ δδ+ δδδ+
Cl – CH
2
– CH
2
– CH
2
– CH
3
1.3.2. Sự chuyển dịch của điện tử trong các liên kết kép – Hiệu ứng C
1.3.2.1. Khái niệm
Khác với hiệu ứng cảm ứng sự chuyển dịch điện tử trên liên kết cacbon-
cacbon, hiệu ứng liên hợp - E là sự chuyển dịch điện tử xảy ra trên liên kết Π.
Trong một phân tử có chứa liên kết kép thì các điện tử không những dịch chuyển
trên trục liên kết (liên kết σ) mà còn dịch chuyển ngoài trục liên kết (liên kết Π).

Liên kết bền vững, còn liên kết Π thì không bền dễ bị phá vỡ.
Ví dụ trong liên kết C=O của một xeton gồm hai cặp điện tử chung. Trong
đó một cặp tạo liên kết σ bền vững, liên kết này nằm trên trục liên kết giữa nguyên
tử C và O, còn một cặp điện tử tạo thành liên kết Π ở ngoài trục:
C
R
R
O
C
R
R
O
(+)
(-)

C O
R
R

Sự dịch chuyển điện tử trên liên kết Π được ký hiệu bằng mũi tên cong :
-7-
- Nhóm đẩy điện tử có hiệu ứng +C:
- Nhóm hút điện tử có hiêụ ứng – C:
Vì vậy hiệu ứng liên hợp xảy ra khi có liên kết kép ( nối đôi, nối ba) và thể
hiện khi tham gia liên kết.


1.3.2.2. Quan hệ giữa cấu tạo của nhóm thế với hiệu ứng liên hợp
a. Các nhóm +C: có cặp điện tử chưa tham gia liên kết -O
-

, -S
-
, -OH, -SH, -
NH
2
, NR
2
, -NHCOCH
3
, -F, -Cl, -Br.
Hầu hết các nhóm +C đồng thời có hiệu ứng –I ở mức độ khác nhau.
Ví dụ: CH
3
O- vừa có hiệu ứng +C do O còn cặp điện tử chưa liên kết, vừa
có hiệu ứng –I do O có độ âm điện lớn hơn C nên hút điện tử về phía nó.
CH
3
O
+C
-I

Thực nghiệm chứng minh +C > -I
CH
3
O CH
2
CH CH CH
2
+C
-I

Một số nhóm lại có +C < -I. Ví dụ: clo, flo…
Cl CH
2
CH CH CH
2
+C
-I

* Đối với các nhóm nguyên tử hay nhóm nguyên tử có hiệu ứng +C thì
nguyên tử mang điện tích âm có hiệu ứng +C nguyên tử tương tự không mang
điện.
-8-
-O
-
> -OR
-S
-
> -SR
- Trong một chu kì, hiệu ứng +C yếu dần từ trái sang phải: -NR2 > -OR > -F
- Trong một phân nhóm chính +C giảm từ trên xuống dưới:
-F > -Cl > -Br > -I
-OR > -SR > -SeR
* Các nhóm –C: Đa số các nhóm này là những nhóm không no:
-NO
2
, -C=N, -CHO, -COR, -COOH,-CONH
2
…
Thường các nhóm –C có cả hiệu ứng –I.

- Các nhóm –C=Z có lực –C phụ thuộc vào Z, nếu Z càng ở bên phải chu kì
thì lực –C càng lớn:
C CR
2
C NR
C O

- Các nhóm mang điện tích dương có –C lớn hơn nhóm không mang điện:
C N
+
R
2
C NR

* Các nhóm mang hiệu ứng C với dấu không cố định:
Loại này thường là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử chưa no như:
vinyl, phenyl,
Ví dụ: Tùy nhóm nguyên tử gắn vào phenyl mà nó có hiệu ứng +C hay –C
như phân tử nitrobenzene và anilin:
NH
2
NO
2
+C -C -C +C

-9-
1.3.2.3. Đặc điểm của hiệu ứng liên hợp
Khác với hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp thay đổi tương đối ít khi
thay kéo dài mạch liên hợp và nó chỉ có hiệu lực mạnh khi hệ liên hợp phẳng
N

N
X
X

Hệ Π, p phẳng Hệ Π, p không phẳng

1.4. MỘT SỐ QUI TẮC THẾ TRONG NHÂN BENZEN. ẢNH HƯỞNG
CỦA HIỆU ỨNG I VÀ E
Nhân benzene có rất nhiều nguyên tử hidro ở những vị trí khác nhau, vì vậy
có nhiều qui tắc khi đưa nguyên tử hay nhóm nguyên tử (nhóm chức) khác nhau
vào thế những hidro đó.
1.4.1. Khi nhân thơm chưa có nhóm thế
Với nhân benzen chưa có nhóm thế thì phản ứng thế S
E
(phản ứng thế ái
điện tử) sẽ thế được hidro của nhân benzen bằng các nhóm thế ái điện tử X
(+)
.
Nhóm thế này sẽ thế vào bất cứ vị trí nào trong nhân benzen.
Ví dụ:
X
X
+

1.4.2. Khi nhân thơm đã có sẵn một nhóm thế:
* Khi ở vòng benzene có sẵn một nhóm đẩy electron (nhóm thế loại I: -OH,
-NH
2
, -hal như –Cl, -Br, -NR
2

, -OR …) làm mật độ electron ở các vị trí ortho và
-10-
para tăng, phản ứng thế sẽ dễ dàng hơn và ưu tiên xảy ra ở các vị trí ortho và para
trong nhân benzen
Ví dụ: Khi nitro hóa toluen (nhân chứa nhóm metyl thuộc loại I) sẽ thu
được hỗn hợp sản phẩm chính là o- và p-nitrotoluen.

CH
3
CH
3
NO
2
CH
3
NO
2
+
HNO
3
+

* Ngược lại, nếu ở vòng benzene đã có sẵn nhóm hút electron (nhóm thế
loại II: -NO
2
, -COOH, -SO
3
H, -NR
3
, -CHO, -COR …) thì phản ứng thế vào vòng

benzene sẽ khó hơn và ưu tiên xảy ra ở vị trí meta trong nhân benzen.
Ví dụ: Khi nitro hóa nitrotoluen (nhân chứa sẵn nhóm –NO
2
thuộc loại II)
sẽ thu được sản phẩm chính là m-dinitrobenzen.

NO
2
+
HNO
3
NO
2
NO
2

Sau đây là bảng phân loại các nhóm thế loại I và II.
Nhóm thế loại I
(đa số là các nhóm thế chứa liên kết
đơn)
Nhóm thế loại II
(đa số là các nhóm thế chứa liên kết
kép)
- F, Cl, Br, I
-OH, OR, OAc
- NH
2
, NHR, NR
2

- R, CH
2
R, CHR
2
, CR
3

- NO
2

- SO
3
H, SO
2
R
- CHO, CH=COOH
- COOH, COOAr, CONH
2
, CONHR
-11-
-

CH
2
Cl, CH
2
CN, CH
2
COOH

- C
6
H
5
, C
6
H
4
CH
2
-COOH
-

COR, CO=COOH

- CN
- CCl
3

- N
(+)
H
3
, N
(+)
HR
2
, N
(+)
R

3
.

1.4.3. Khi nhân thơm đã có sẵn nhiều nhóm thế:
Trường hợp nhân thơm có sẵn nhiều nhóm thế thì vị trí nhóm thế vào sau
được quyết định bởi nhóm thế có tác dụng định hướng mạnh hơn.
1.4.3.1. Trường hợp nhóm thế đính sẵn cùng loại:
Dựa vào thực nghiệm lập được định hướng các nhóm thế đính sẵn cùng loại
theo dãy sau:
Nhóm thế loại I: -O > -NR
2
> -NHR > -NH
2
> -OH >-OR > -NHCOR >
Halogen (F > Cl > Br > I) > -OCOR > -R > -ankenyl.
Nhóm thế loại II: -NO
2
> -NR
3
> -CN > -COOH > -COOR > -SO
3
H > -
CHO > -COR
Ví dụ: Nhân thơm có 2 nhóm thế là –OCH
3
và –R thì khi tham gia phản
ứng thế clo ưu tiên định hướng vào vị trí octo và para của –OCH
3
vi –OR > -R
(như so sánh ở trên).

1.4.3.2. Trường hợp nhóm thế đính sẵn khác loại:
Trong trường hợp nhóm thế đính sẵn khác loại thì nhóm thế loại I đóng vai
trò định hướng nhóm thế vào sau.
Ví dụ: Nhân thơm có 2 nhóm thế -OR và –NO
2
thì khi tham gia phản ứng
thế clo, clo sẽ ưu tiên định hướng vào vị trí ortho và para của –OR chứ không phải
ở vị trí meta của –NO
2
.
* Một số nhận xét:
-12-
- Các nhóm thế loại I thường chỉ chứa các liên kết đơn, đặc biệt là ở nguyên tử
liên kết trực tiếp với nhân benzen. Cón các nhóm thế loại II thường chứa các liên
kết đôi ở nguyên tử liên kết trực tiếp với nhân benzen hoặc nguyên tử này mang
mọt điện tích dương.
- Các nhóm thế loại I (trừ halogen) thường làm dễ dàng cho sự thế tiếp sau vào
nhân benzen, tăng cường khả năng phản ứng của nhân. Ta nói rằng, các nhóm thế
loại I hoạt động hóa nhân benzen.
- Trái lại, các nhóm thế loại II làm khó khăn cho sự thế tiếp sau vào nhân
benzen, làm giảm khả năng phản ứng của nhân. Ta nói rằng, các nhóm thế loại II
làm bị động hóa nhân benzen.
Các qui tắc trên được giải thích dựa trên cơ sở của hiệu ứng I, E và nguyên
lý lực hút tĩnh điện .
Trong phản ứng S
E
do ảnh hưởng của hiệu ứng I, E của các nhóm thế có
sẵn trong nhân (X) – các nhóm thế này có thể hoạt hóa hoặc làm giảm khả năng
phản ứng của nhân do ảnh hưởng đến sự phân bố mật độ điện tử trên từng nguyên
tử C có vị trí khác nhau. Chính vì thế nhóm thế mới (Y) mới có thể tấn công vào

vị trí octo, para hoặc meta và tạo ra sản phẩm tương ứng theo tỉ lệ khác nhau đối
với từng nhóm thế khác nhau cũng khác nhau.
Ta có bảng tóm tắt như sau:
Số
thứ
tự
Nhóm hợp chất một
lần thế của benzen


X

Hiệu ứng
kèm theo
tham gia
trong phản
ứng thế S
E

Khả năng phản
ứng
(So sánh với
nhân benzen)
Độ ổn
định của
phức σ
của 3 loại
đồng phân
o, p, m.
Sản

phẩm
chính
sau
pứ
1 → NR
3
(+)
-I C
6
H
5
X < C
6
H
5
-H o, p < m m
-13-
.

→ CCl
3

2 ← CR
3
+ I C
6
H
5
X > C
6

H
5
-H o, p > m o, p
3 ←CH
2
=CH
2

CH
2
CH
2


+I và +E C
6
H
5
X>>C
6
H
5
-H

o, p >> m o, p
4
a.
OH

OR

ONH
2


b.
Cl
Br I


|- I| < |+ E|
|- I| > |+ E|
C
6
H
5
X > C
6
H
5
-H





C
6
H
5
X < C

6
H
5
-H
o, p > m





o, p < m
o, p





o, p
5
C
O
OR
NO
2

- I và - E C
6
H
5
X > C

6
H
5
-H o, p < m m

1.5. SƠ LƯỢC VỀ PHÂN LOẠI VÀ CƠ CHẾ CỦA CÁC LOẠI PHẢN ỨNG
1.5.1. Một số khái niệm về cách phân loại các sản phẩm phản ứng
Một phản ứng hóa học xét cho cùng là sự phân bố các điện tử hoá trị giữa
các nguyên tố trong những phân tử tham gia phản ứng (hình thành lại các liên kết).
Sự sắp xếp lại các điện tử đó tiến hành theo một nguyên tắc cơ bản là “ xảy ra theo
-14-
cách nào ít làm thay đổi nhất vị trí ban đầu của các điện tử” – hay nói cách khác là
cần ít năng lượng nhất cho sự hình thành liên kết mới, đó là định đề cơ bản của
thuyết điện tử “Quy tắc biến dạng phân tử tối thiểu” của Ingold.
Nhưng việc xét sự sắp xếp lại điện tử như thế này rất phức tạp vì đôi lúc
một phản ứng không chỉ là một quá trình đơn giản mà là một dãy gồm nhiều quá
trình tiếp nối nhau, mà mỗi quá trình tạo ra một chất trung gian và các chất trung
gian này chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn cũng vì vậy để đơn giản hoá
người ta thường đại diện hoá hoặc phân chia chúng thành từng nhóm phản ứng đặc
trưng. Có nhiều cách để phân loại các phản ứng hữu cơ, sau đây là một số quan
điểm để phân loại:
1.5.1.1.Cách phân loại thứ nhất là dựa trên trạng thái tĩnh (hay theo tiến trình
phản ứng)
Dựa trên kết quả sự hình thành sản phẩm tạo ra trong phản ứng. Với cách
phân loại này người ta đi đến các phản ứng sau:
a. Phản ứng cộng hợp (addition), kí hiệu là A.
Ví dụ:
H
HH
H

+
B r B r
H
B r H
B r

R N H
2
+
H
+
R N H
3
+

b. Phản ứng tách loại (eliminasion), kí hiệu là E.
Ví dụ:

OH
HH
H
H
H H
H
+
OH
2
H
2
SO

4
t°

c. Phản ứng thế (substitusion), kí hiệu là S.
-15-
Ví dụ:
R X
+
R Y
+
X
Y

R X
+
R Y
+
X
Y

d. Phản ứng chuyển vị (một quá trình gồm nhiều phản ứng).
c. Phản ứng oxi hoá, khử hoá…
1.5.1.2. Cách phân loại thứ hai là dựa trên trạng thái động (theo phương thức
sắp xếp lại liên kết)
Cách phân loại này dựa vào tính chất của quá trình phản ứng xảy ra, dựa vào
cách phá huỷ của liên kết cũ, hình thành liên kết mới, cụ thể là dựa vào sự đứt ra
của các liên kết, liên kết đó cắt ra theo cách nào?
a. Phản ứng dị ly (phản ứng tạo ra gốc tự do)

b. Phản ứng đồng ly (phản ứng tạo ion)
R
X
R
X
R
+
X
+

c. Phản ứng không có sự phân cắt liên kết để hình thành ion và gốc trung
gian mà chỉ là phân bố lại các obitan liên kết như các phản ứng vòng hoá
perixylic.
1.5.1.3. Cách phân loại thứ ba là dựa theo tính chất của các tác nhân
hoặc nhóm tham gia phản ứng
R
X
R
+
X
-16-
Nhóm tham gia phản ứng đó có khả năng cho hoặc nhận điện tử. Nếu tác
nhân mang nhóm cho điện tử thì phản ứng đó gọi là phản ứng ái điện tử
(electrophin), ngược lại tác nhân mang nhóm cho điện tử thì phản ứng đó gọi là
phản ứng ái nhân (nucleophin).
Phân loại theo tính chất electrophin và nucleophin là tính chất electron của
tác nhân nhưng chúng luôn tương hỗ với nhau. Tác nhân electrophin cần có một
obitan tự do hay trung tâm có mật độ electron thấp nhất như: các ion có điện tích
dương, chất có đám mây electron chưa đầy như BF
3

, AlCl
3
, chất oxi hoá (O
3
,
ROOR, Fe
3+
…).
Tác nhân nucleophin như có cặp p hay obitan n hay có mật độ electron lớn
như: ion âm, các hợp chất cá cặp điện tử tự do, các hợp chất có liên kết bội hoặc
các hợp chất thơm.
R N
R
R
B
H
H
H
+
N
+
B
-
H
H
H
H
H
H

Ái điện tử ái nhân
1.5.1.4. Ngoài ra còn phân loại theo bậc phản ứng (trong giai đoạn quyết định
của phản ứng chỉ duy nhất một, hai hoặc nhiều phân tử tham gia vào giai đoạn
chuyển tiếp)
a. Phản ứng đơn phân tử
b. Phản ứng lưỡng phân tử
c. Phản ứng có số phân tử cao hơn
1.5.1.5. Trong một số trường hợp còn phân loại phản ứng theo số bước của
phản ứng
a. Phản ứng bước một
b. Phản ứng hai bước
-17-
c. Phản ứng nhiều bước (phản ứng dây chuyền)
Tóm lại trong hoá học hữu cơ người ta thường kết hợp tất cả các cách phân
loại trên cả trạng thái tĩnh, trạng thái động lẫn tính chất của tác nhân cũng như bậc
của phản ứng để phân loại các phản ứng hoặc thành những nhóm đặc trưng.
- Phản ứng cộng A:
 Cộng electrophin A
E

 Cộng nucleophin A
N

 Cộng gốc tự do A
R

- Phản ứng thế S:
 Thế electrophin S
E

 Thế nucleophin S
N
1, S
N
2
 Thế gốc tự do S
R

- Phản ứng tách loại E:
 Tách E1
 Tách E2
- Phản ứng chuyển vị
- Phản ứng oxi hoá - khử
Như vậy trong các ký hiệu cơ chế của các phản ứng đã nêu cho biết các ý
nghĩa sau:
- Phản ứng đó thuộc loại phản ứng gì? Cộng (A), thế (S) hay tách loại (E).
- Nhóm tấn công (tác nhân) trong phản ứng trong phản ứng mang tính chất
gì? Ái nhân (N), ái điện tử (E), hay là gốc tự do (R).
Ví dụ : kí hiệu S
E
có nghĩa là phản ứng xảy ra theo cơ chế phản ứng thế và ái
điện tử
1.5.2. Cơ chế của một số loại phản ứng:
-18-
Để minh họa cụ thể cơ chế của các loại phản ứng ta lần lượt nghiên cứu cơ
chế của các loại phản ứng cơ bản đó.
1.5.2.1. Cơ chế các loại phản ứng cộng:
Phản ứng cộng là phản ứng bão hòa liên kết đôi, nối ba ( gọi chung là liên kết
kép) giữa cacbon-cacbon, cacbon-oxy, cacbon-nitơ, cacbon-lưu huỳnh. Trong
phân tử của tất cả các hidrocacbon chưa no đều có liên kết π kém bền, liên kết này

bị phân cực hoá mạnh bởi các hiệu ứng điện tử có trong nội bộ phân tử, bởi tác
nhân phản ứng và điều kiện phản ứng, do vậy các hidrocacbon chưa no dễ dàng
tham gia phản ứng cộng hợp. Tùy thuộc vào tác nhân phản ứng mà ta chia phản
ứng cộng thành các loại sau:
+ Phản ứng cộng electrophin (cộng ái điện tử A
E
)
+ Phản ứng cộng nucleophin (cộng ái nhân A
N
)
+ Phản ứng cộng gốc tự do ( A
R
)
1.5.2.1.1. Phản ứng cộng ái điện tử (A
E
)
Các phản ứng bão hòa liên kết kép cacbon-cacbon thường xảy ra theo cơ chế
cộng ái điện tử vì bản thân các đám mây điện tử π của liên kết kép là hoạt lực của
phản ứng.
Các tác nhân của phản ứng như các halogen (Cl
2
, Br
2
, I
2
), các hidro
halogenua (HCl, HBr), các axit hipohalogenơ (HClO, HBrO), H
2
O, H
2

SO
4
, …
Xúc tác cho phản ứng cộng ái điện tử là các axit Lewis ( AlCl
3
, BF
3
, …) và
các dung môi phân cực.
Ví dụ khi cho etylen phản ứng với khí clo ta thu được dicloetylen.
CH
2
CH
2
+
nhanh
Cl
2
Cl
CH
2
CH
2
Cl

Cơ chế phản ứng trên được minh họa như sau:
-19-
+ Đầu tiên các điện tử π tạo với các điện tử của phân tử clo tạo nên phức π
(I) (bước nhanh):
Cl

Cl
C C
+
cham
C
C
Cl
(+)
+
Cl
(-)

I
+ Sau đó phức π này tạo thành cacbeni ion (II) bước chậm):
(
C
C
Cl
(+)
nhanh
C
C
Cl
(+)
(cacbeni ion)

I II
+ Cuối cùng là Cl
(-)
tác dụng với cacbeni ion dương để tạo ra phản ứng

trung hòa (III) (bước nhanh):
C
C
Cl
(+)
+
Cl
C
C
Cl
Cl

II III
Như vậy ion Cl
(+)
tấn công vào điện tử π của liên kết kép là bước quyết định
của phản ứng vì thế mà phản ứng này thuộc loại phản ứng cộng ái điện tử (A
E
).

1.5.2.1.2. Phản ứng cộng ái nhân (A
N
):
Các phản ứng bão hòa liên kết kép giữa cacbon-oxy, cacbon-nitơ, thường xảy
ra theo cơ chế cộng ái nhân.
Tác nhân của phản ứng bao gồm các loại sau: HCN, NaSO
3
H, NH
2
-NH

2
,
NH
2
-NHR, NH
2
-R, NH
2
-OH, NH
2
-NH-CO-NH
2
, NH
2
-NH-CS-NH
2
.
-20-
Phản ứng cộng nucleophin vào nhóm C=O của andehyt và xeton xảy ra theo
sơ đồ:
C C O
(+)
(-)
+
X Y
(-)
(+)
C
OX
Y

X-Y :H-OH, H-CN, H-SO3Na , R-Li , R-MgHal ,LiAlH4
Phản ứng lưỡng phân tử, hai giai đoạn sản phẩm trung gian là một anion
C C O
(+)
(-)
+
X Y
(-)
(+)
cham
C
O
Y
(-)
+
X
(+)

C
O
Y
(-)
+
X
(+)
nhanh
C
OX

Y

Phản ứng được xúc tác bởi axit hoặc bazơ:
+ Xúc tác axit hoạy hóa nhóm C=O
C
O
+
H
+
C
OH
(+)

C
OH
(+)
+
ROH
cham
C
OH
O
R
H
(+)
nhanh
- H
+
C
OH

OR



+ Xúc tác bazơ hoạt hoá tác nhân
ROH
OH
-
RO
(-)
+
H
2
O

-21-
C
O
+
RO
(-)
cham
C
O
OR
(-)
ROH
nhanh
C
OH

OR
+
RO
(-)

Ví dụ: Khi cho axeton tác dụng với axit xianna hydric, ta thấy quá trình xảy
ra phản ứng như sau:
+ Liên kết H-CN tách ra:
HCN + OH
(-)
H
2
O + CN
-
nhanh

+ Hình thành liên kết C-CN:
CN
(-)
C
O
+
cham
C
O
-
CN

+ Hình thành liên kết O-H:
C

O
-
CN
+
H
2
O
nhanh
C
OH
CN
+
OH
-

1.5.2.1.3. Phản ứng cộng gốc (A
N
)
Liên kết đôi, ba giữa cacbon-cacbon cũng có khả năng cộng gốc. Trong
những điều kiện nhất định (tác dụng nhiệt, xúc tác peoxit, năng lượng chiếu xạ,…)
từ các tác nhân cộng hợp các gốc tạ do được tạo ra, các gốc này liên kết với điện
tử π hình thành nên những gốc mới và gốc mới tiếp tục liên kết với những gốc tự
do khác cho ta sản phẩm cộng hợp.
Tác nhân của phản ứng gồm
Phản ứng cộng hợp xảy ra ở liên kết π, chẳng hạn phản ứng cộng hợp của
anken xảy ra theo sơ đồ tổng quát sau:
-22-
C
C
(-)

(+)
+
X
+
Y
-
C
C
Y
X

Ở đây XY có thể là halogen (Cl
2
, Br
2
), HOH, hidro halogenua (HBr),
hipohalogenơ, H
2
SO
4
, hidro sunfua, bisunfat, andehyt, ancol, este, poly halogenua
ankan (CHCl
3
, CHBr
3
, CCl
4
), tiol,…
Trước hết dưới tác dụng của peoxit , tác nhân phân ly thành các gốc tự do:
XY X

.
+ Y
.
Sau đó gốc tự do này liên kết với điện tử của liên kết π tạo ta gốc tự do của
nguyên tử cacbon (cacbocation trung gian) và tiếp tục tạo ra gốc tự do mới (dây
chuyền):
C
C
(-)
(+)
+
X
+
C
C
X
(+)
cham

Cuối cùng cacbocation trung gian tác dụng với anion Y
-
tạo ra sản phẩm:
C
C
X
(+)
+
Y
(-)
nhanh

C
C
X
Y

Ví dụ: Khi cho etylen tác dụng với HBr trong môi trường chứa peoxit sản
phẩm cộng hợp được tạo ra là etyl bromua theo cơ chế sau:
+ Bước khơi mào:
Br
H
H
Br
+

+ Phản ứng dây chuyền:
CH
2
CH
2
+
Br
CH
2
CH
2
Br

-23-
CH
2

CH
2
Br
H
Br
CH
3
CH
2
Br
Br
+
+

+ Bước kết thúc:
Br
CH
2
CH
2
Br
H
2
C CH
2
Br
+
Br

CH

2
CH
2
Br
H
2
C CH
2
Br
+
H
H

Tương tự như HBr, các tác nhân khác cũng có khả năng tham gia phản ứng
cộng gốc trên liên kết đôi của anken.
Ví dụ: Một số phản ứng cộng gốc:

R CH CH
2
+
Br
2
(Cl
2
)
R CH
CH
2
Br(Cl)
(Cl)Br

R
,
CH
2
CHO R CH
2
CH
2
CO CH
2
R
,
CCl
4
R CHCl
CH
2
CCl
3
CHCl
3
R CH
2
CH
2
CCl
3
CHBr
3
R CHBr

CH
2
CHBr
2


1.5.2.2. Các phản ứng thế
Cũng giống như phản ứng cộng, phản ứng thế cũng có các loại tương tự: thế
ái điện tử (S
E
), thế ái nhn (S
N
), thế gốc (S
R
)
1.5.2.2.1 Cơ chế thế ái điện tử(S
E
)
a. Đặc điểm ủa phản ứng thế S
E
Phản ứng thế ái điện tử thường là phản ứng thay thế nguyên tử hydro của
nhân thơm bằng một nhóm tác nhân ái điện tử.
-24-
Các phản ứng thế tiến hành nhờ các đầu mang điện tích dương của liên kết
phân cực mạnh tấn công gọi là phản ứng thế electrophin.
Sơ đồ chung của phản ứng thế electrophin vào nhân thơm:
X
+
+ Ar-H → Ar-X + H
+

Phản ứng luôn tiến hành trong điều kiện có mặt một axit mạnh hoặc một chất
xúc tác. Axit mạnh hoặc chất xúc tác có tác dụng chuyển háo tác nhân thành dạng
electrophin hoạt động, ký hiệu là X
+
.
b. Cơ chế phản ứng
Nếu nhóm tác nhân điện tử được ký hiệu là E
+
thì cơ chế của phản ứng thế ái
điện tử S
E
được biễu diễn như sau: trước hết tác nhân ái điện tử E
+
liên kết với hệ
điện tử pi của nhân tạo ra phức –pi, sau đó phức ion này tự định vị chuyển sang
phức chuyển tiếp –xichma, trong quá trình đó tác nhân ái điện tử E
+
định vị vào
một vị trí cacbon nhất định( phức –xichma còn gọi là benzeni ion hay phenoni ion)
và cuối cùng tự ổn định hóa bằng cách loại proton khỏi phức –xichma để tạo thành
phân tử trung hòa chứa nhóm thế E.
c. Các loại phản ứng liệt kê trong bảng sau đây đếu xảy ra theo cơ chế phản
ứng thế ái điện tử:
Phản ứng Tên loại phản ứng
ArH + HNO
3
 ArNO
2
+ H

2
O

Nitro hóa
ArH + H
2
SO
4
 Ar-SO
3
+ H
2
O Sunfo hóa
ArH + X
2
 Ar-X + HX Halogen hóa (X=Cl, Br)
ArH +R-X  Ar-R +HX Frieden-Crafts- ankyl hóa
ArH + R-COCl  ArCOR + HCl Fieden-Crafts- acyl hóa
ArH + CO  Ar-CHO Galtermann-Koch
-25-
ArH + HCN + HCl  Ar-
CH=N
+
H
2
Cl
-
 Ar-CHO
Galtermann
ArH + R-CN+HCl  ArCOR Houben-Hoesch

ArH + C
6
H
5
-N(CH
3
)-CHO  ArCHO
+ C
6
H
5
-N-CH
3
Vilsmeir
ArH + CH
2
O  Ar-CH
2
OH Hydroxymetyl hóa
ArH + CH
2
O + HNR
2
 Ar-CH
2
NR
2
+
H
2

O
Mannich ( aminometyl hóa)
ArH + CH
2
O + HCl  Ar-CH
2
Cl +
H
2
O
Clometyl hóa
ArH + CO
2
 ArCOOH Kolbe-Schmit
ArH + HNO
2
 Ar-NO
2
+ H
2
O Nitrozo hóa
ArH + Ar’-N
+
?NCl
-
 Ar-N=N-Ar’ +
HCl
Nối azo

1.5.2.2.2. Phản ứng thế ái nhân ( S

N
)
Thế ái nhân là quá trình thay thế nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử X liên kết
với cacbon bằng nhóm ái nhân Nu, kết quả nhóm X tách ra mang theo cả đôi điện
tử:
Trong đó tác nhân ái nhân có thể là các anion hoặc chất trung hòa có chứa
đôi điện tử tự do: