phản ứng thế (S)

Đề tài: phản ứng thế (S)
giáo viên hướng dẫn:Ngô Thị Thuận
sinh viên thực hiện:
I) Khái niệm chung về
phản ứng thế trong
hóa học hữu cơ
1) Khái niệm
Phản ứng thế kí hiệu là chữ S
(Substitution),trong đó một nguyên tử
hay một nhóm nguyên tử trong phân tử
đươc thay thế bằng một nguyên tử hay
nhóm nguyên tử khác.
Phản ứng thế là một phản ứng phổ biến
trong hóa học hữu cơ.Phản ứng được
biểu diễn tổng quát như sau:
A + B - C A – B + C
Trong đó :
A là tác nhân thế (Hay nhóm thế)
B là trung tâm bị thế
C là nhóm bị thế
2) Phân loại
-Nếu trung tâm B giàu điện tử thì là phản ứng
thế ái điện tử S
E
, A là nhóm nghèo điện tử (A là
cation.) nó được phân thành 2 loại nhỏ
+Thế ái điện tử đơn phân tử S
E

1
:

+Thế ái điện tử lưỡng phân tử S
E

2
-Nếu trung tâm B nghèo điện tử thì là phản ứng
thế ái nhân, S
N
và A là nhóm giàu điện tử ( là
anion). Nó còn được phân ra thành:
+Thế ái nhân đơn phân tử S
N

1
+Thế ái nhân lưỡng phân tử S
N

2
-nếu tác nhân A là gốc thì đây là phản ứng thế
gốc S
R
II) Cơ chế phản ứng
1) cơ chế phản ứng S
N


a) cơ chế phản ứng thế S
N

1

Là phản ứng xảy ra theo cơ chế 2 giai đoạn ion
hóa và kết hợp cation:
•
Giai đoạn 1: ion hóa, chậm
R-X R(+) + X(-)
Giai đoạn 2: kết hợp cation, nhanh
R(+) +Y(-) Y-R và R-Y ( biến thể raxemic)
Như vậy tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào
[RX]. Phản ứng bậc 1. v=k[RX]. Nó làm quay
một phần cấu hình
CH
3
- C - Cl
CH
3
CH
3
NaOH
+
tert-butyllorua
CH
3
- C - OH
CH
3
CH
3
tert-butanol
CH
3

- C
CH
3
CH
3
CH
3
- C - Cl
CH
3
CH
3
NaCl
+
+
Cl
CH
3
- C
CH
3
CH
3
+
OH
CH
3
- C - OH
CH
3

CH
3
Ví dụ:
Như ta đã biết, cacbocation hình thành
có cấu trúc phẳng nên tác nhân
nucleophin có thể tấn công từ phía trên
hoặc phía dưới mặt phẳng cacbocation
với xác suất như nhau nên nếu chất đầu
là một chất quang hoạt thì sản phẩm
hình thành sẽ là biến thể raxemic:
Giải thích tính lập
thể
Ngoài ra còn do hiện tượng chuyển vị nên
còn có thêm những sản phẩm khác, như:
CH3CH2CH2CH2(*) => CH3CH2CH(*)CH3
(bền hơn) nên sẽ có thêm những sản phẩm
khác như 2-X Butan
b) phản ứng thế S
N
2

Vì Y- và X- cùng dấu nên Y- sẽ đi vào phía đối
diện với X, điều này làm cho cấu hình của RY
sẽ ngược với RX:
Nhận xét:

Nếu y- không dư nhiều thì Phản
ứng bậc 2


Thứ tự tham gia phản ứng SN2
như sau:
metyl > dẫn xuất bậc 1 > dẫn xuất
bậc 2 > dẫn xuất bậc 3
Ví dụ
c) Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế phản
ứng
+ảnh hưởng bởi gốc R
R ảnh hưởng chính đến cơ chế thế
Nếu gốc R la ankyl bậc thấp SN 2 xẩy ra dễ
dàng
Nếu gốc R la anlkyl , ankyl bậc cao SN1 xẩy
ra dễ dàng
Nếu gốc R la allyl, aryl metyl xẩy ra đồng
thơi SN1 va SN2
Nếu gốc R la vinyl hay phenyl khó xẩy ra
SN1 lẫn SN2
Cacbocation càng bền thì phản ứng xẩy ra theo cơ chế
SN1 càng thuận lợi, cụ thể ta chú ý từng gốc:
Gốc ankyl: bậc của cacbon mang X càng cao thì khả
năng tham gia SN2 càng giảm, trong khi đó khả năng
tham gia SN1 càng tăng
Gốc hidrocacbon có ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng
thế nucleophin. Đối với các gốc no, tốc độ các phản
ứng thế nucleophin như sau:
SN2 : CH3- > CH3CH2- > (CH3)2CH- > (CH3)3C-
SN1 : CH3- < CH3CH2- < (CH3)2CH- < (CH3)3C-
+ ảnh hưởng của nhóm bị thế ( nhóm đi ra X- )

Khả năng phản ứng của các dẫn xuất RX trong

các phản ứng SN1 cũng như SN2 không nhưng
phụ thuộc vào gốc hidrocacbon mà một phần còn
được quyết định bởi bản chất của nhóm bị thay
thế X.

Khả năng phản ứng:
Đối với R-X thì: I > Br > Cl >> F , nguyên nhân
là do độ dài liên kết C-I là lớn nhất và sự phân cực
hóa ở I là lớn nhất.
Các nhóm -OH phản ứng kém nhất, do đó bình
thường không tách ra ion -OH được, chính vì thế
ancol chỉ được este hóa trong môi trường axit và
ete chi được phân cắt trong môi trường axit.
+
ả
n
h

h
ư
ở
n
g

c
ủ
a

t
á

c

n
h
â
n

n
u
c
l
e
o
p
h
i
n

(

-
Y

)
c
h
ỉ

c
ó

p
h
ả
n

ứ
n
g

S
N
2

m
ớ
i

p
h
ụ

t
h
u
ộ
c

v
à

o

t
á
c

n
h
â
n

n
u
c
l
e
o
p
h
i
n
.
G
i
ữ
a

t
í
n

h

n
u
c
l
e
o
p
h
i
n

v
à

t
í
n
h

b
a
z
ơ

t
h
ư
ờ

n
g

c
ó

t
í
n
h

“
s
o
n
g

s
o
n
g
”
.

N
h
ữ
n
g

b
a
z
ơ

m
ạ
n
h

n
h
ư
:

C
2
H
5
O
-

,

H
O
-

c
ũ

n
g

đ
ồ
n
g

t
h
ờ
i

c
ó

t
í
n
h

n
u
c
l
e
o
p
h
i

n

m
ạ
n
h
,

t
r
ừ

d
u
n
g

m
ô
i

c
ó

t
í
n
h

n

u
c
l
e
o
p
h
i
n

y
ế
u

n
h
ư
n
g

c
ó

k
h
ả

n
ă
n

g

s
o
n
v
a
t

h
ó
a

c
á
c

i
o
n

m
ạ
n
h
,

n
h
ư

C
2
H
5
O
H

<

C
H
3
O
H

<

H
2
O

<

H
C
O
O
H
,

l
ạ
i

t
h
ú
c

đ
ẩ
y

p
h
ả
n

ứ
n
g

t
h
e
o

c
ơ

c
h
ế

S
N
1
.
-tốc độ phản ứng S
N
2
tăng theo nồng độ là
lực Nu của Y Lực Nu tuân theo quy tắc
sau:
•
Anion có lực Nu cao hơn phân tử trung
hòa tương ứng:
RO
-
> ROH; OH
-
>H
2
O; NH
2
-
>NH
3
•

Lực Nu tăng khi độ âm điện giảm:
I
-

>Br
-

> Cl
-
>F
-

NH
2
-
>RO
-

>HO
-
>R
2

NH>NH
3
>F
-
> H
2
O

HS->HO-
C
2

H
5

S- >C
2

H
5

O-
+ Ảnh hưởng của dung môi
o
Dung môi có vai trò rất quan trọng. Nếu
không có tương tác với dung môi thì phản
ứng thế hầu như không xẩy ra.
o
Khi chuyển từ dung môi này sang dung
môi khác thì tốc độ phản ứng sẽ thay đổi,
đồng thời còn có thể thay đổi cả cơ chế
phản ứng.
2) Cơ chế phản ứng thế electrophin
Tác nhân phản ứng là nhóm thiếu hụt e,
chúng tấn công vào trung tâm giàu e.
Nhóm bị thay thế e tách ra không mang
theo cặp e liên kết.
*cơ chế phản ứng S

E
thường gặp ở các
phản ứng thế vòng thơm, nên nên trong
đề tài này chỉ trình bày phản ứng thế
electron vào nhân thơm. (S
E
Ar)
a) Cơ chế chung
Tất cả các phản ứng S
E
Ar đều diễn ra
theo một con đường , và bắt đầu bằng
sự tấn công của các tác nhân
electronphin vào hệ thống π thơm tạo
thành phức σ không thơm, sau đó tạo ra
hợp chất có mặt nhóm mới tấn công
vào (tạo lại hệ thống electron π của
vòng thơm có chứa nhóm thế E)
Cơ chế gồm 2 giai đoạn:
giai đoạn 1:
+
E
+
Tấn công của tác nhân
electronphin
H
E
+
H
E

+
Giai đoạn 2:
E
Tái tạo hợp chất thơm
H
+
+
Giai đoạn 1 diễn ra chậm, giai đoạn 2 diễn ra nhanh chóng,
nên giai đoạn 1 quyết định tốc độ phản ứng. Sơ đồ này mới
chỉ là đơn giản hóa quá trình, thực chất còn nhiều quá trình
có thể tạo phức trước khi tạo phức
Halogen hóa
Benzen
Br
2
/FeBr
3
Brom benzen
Br
+ HBr
Br
2
+ FeBr
3
Br + [FeBr
4
]
Cơ chế:
Nitro hóa
Cơ chế:

HNO
3
+ H
2
SO
4
NO
2
+ 2HSO
4
+ H
2
O
Sunfo hóa
Cơ chế:
H
2
SO
4
SO
3
+ H
3
O + HSO
4

Ankyl hóa theo
Friedel-Crafts
Cơ chế:
+ R - X

Benzen
(R : gèc ankyl
X : halogen)
Alkyl benzen
R
AlX
3
khan
R - X + AlX
3
R X AlX
3



σ
+
σ
−
Dùng ankyl halogenua làm tác nhân ankyl hoá
dưới sự có mặt của chất xúc tác Liuyt:
Cơ chế:
Axyl hóa theo
Friedel-Crafts
+ HX
Benzen
(R : gèc ankyl
X : halogen)
+ X - C - R
O

AlX
3
khan
C R
O

Aryl alkyl xeton
σ
+
σ
−
R - C - X + AlX
3

O

R C O AlX
3


X

:
:
Tác nhân axyl hóa thường dùng là các axyl halogenua
RCOX hoặc các anhydrit axit (RCO)
2
O:
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế

b.1. Ảnh hưởng của nhóm thế đến sự thế S
E
Ar:
Một nhóm thế R có sẵn ở nhân thơm có ảnh
hưởng đến vị trí của các nhóm vào sau gọi là nhóm
định hướng.
xóc t¸c
R
+
R
E
E
Nguyên nhân:
+ Khi benzen chưa bị thế, mật độ electron
ở 6 nguyên tử C trong vòng là như nhau vào
chỉ thu được một sản phẩm khi thế lần đầu.


ortho
para
I
+ Khi thế lần thứ hai, nhóm thế mới có thể định
hướng vào các vị trí ortho, meta và para so với
nhóm định hướng, sẽ thu được một hỗn hợp 3
sản phẩm đồng phân có tỷ lệ phần trăm khác
nhau.

Khi nhân thơm đã có sẵn một nhóm
thế:
Dựa trên cơ sở tác dụng định hướng người

ta chia làm 2 loại nhóm thế:

Nhóm thế loại I: Tác dụng định hướng
nhóm thế vào sau ưu tiên vào vị trí ortho và
para so với nhóm thế đính sẵn: gồm các
nhóm thế hoạt hóa nhân thơm (O-,
-NR
2
, NH
2
, -OH, -OR, -NHCOCH
3
, -CH
3
,
-C(CH
3
), C
6
H
5
-…) và một số nhóm thế phản
hoạt hóa nhân thơm (halogen, -CH
2
Cl,…)