TIỂU LUẬN cơ CHẾ PHẢN ỨNG hữu cơ SO SÁNH PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (SN2) và PHẢN ỨNG THẾ gốc (SR)

z
BÙI THỊ MAI LÂM
TIỂU LUẬN CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ
SO SÁNH PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN
(S
N
2) VÀ PHẢN ỨNG THẾ GỐC (S
R
)



MỤC LỤC
1
PHẦN THỨ NHẤT MỞ ĐẦU ………………………………… 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………………….1
2. Mục tiêu ……………………………………………………………… 1
3. Phương pháp nghiên cứu …………………………………………. 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu …………………………………. 1
PHẦN THỨ HAI NỘI DUNG …………………………………………. 2
1.Định nghĩa ………………………………………………………… 2
2. Phân loại ………………………………………………………… 2
3. So sánh cơ chế S
R
với S
N
2 …………………………………………. 2
3.1.Khái niệm chung ………………………………………………… 2
3.2. Nhận diện phản ứng ………………………………………………… 2
3.3.Cơ chế phản ứng ………………………………………………… 3
3.4. Động học phản ứng ………………………………………………… 4

3.5.Hóa lập thể ………………………………………………… 5
3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng ……………………………6
3.6.1. Cấu trúc chất ban đầu ………………………………………… 6
3.6.2. Ảnh hưởng của nhóm bị thay thế ……………………………7
3.6.3. Ảnh hưởng của tác nhân ……………………………………7
3.6.4. Ảnh hưởng của dung môi ……………………………………8
PHẦN THỨ BA KẾT LUẬN ……………………………………9
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………10
PHẦN THỨ NHẤT MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
2
Trong những năm gần đây hóa học hữu cơ có những bước phát triển vượt bậc
nhờ những thành tựu áp dụng các phương pháp vật lý xác định cấu tạo phân tử, áp
dụng cơ học lượng tử vào hóa học và những thành tựu của các ngành hóa khác . Trong
hóa hữu cơ đã phát triển hoàn chỉnh những quan niệm lý thuyết về cấu tạo phân tử và
cơ chế các phản ứng. Những quan niệm này là cơ sở lý thuyết không thể thiếu được
của hóa hữu cơ nói chung.
Trong quá trình nghiên cứu các phản ứng hữu cơ, việc nắm vững các cơ chế
phản ứng để giải thích được quá trình hình thành sản phẩm, hướng phản ứng cũng như
các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng để điều khiển phản ứng theo hướng mong muốn là
vấn đề hết sức quan trọng. Tuy nhiên, do nhiều vấn đề phức tạp trong cơ chế phản ứng
đã gây không ít khó khăn cho nhiều người nghiên cứu như sinh viên, nghiên cứu sinh
ngành hóa. Như vậy, để học tập có hiệu quả bộ môn cơ chế phản ứng hữu cơ, điều cần
thiết là phải thấy được mối liên quan giữa các phản ứng với nhau và nhận biết một
cách tương đối ở điều kiện nào thi xảy ra phản ứng gì. Trong khuôn khổ của tiểu luận
này đề cập đến hai phản ứng là phản ứng thế nucleophin (S
N
2) và phản ứng thế theo cơ
chế gốc (S
R

).
2. Mục tiêu
Việc nghiên cứu, so sánh hai phản ứng S
N
2 và S
R
nhằm giúp việc nhận thức hai
phản ứng được dễ dàng hơn đồng thời thấy được sự giống và khác nhau của hai phản
ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến các phản ứng này.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp chuyên gia
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là cơ chế phản ứng S
N
2 và S
R
- Phạm vi nghiên cứu : nghiên cứu từ sách báo và internet.
PHẦN THỨ HAI NỘI DUNG
1.Định nghĩa [1]
3
Phản ứng thế là phản ứng trong đó một nhóm nguyên tử (hoặc một nguyên tử)
trong phân tử được thay thế bằng một nhóm nguyên tử (hoặc một nguyên tử) khác.
Thường thường nhóm thứ hai kết hợp ngay vào nguyên tử cacbon trước kia liên kết
với nhóm thứ nhất, nhưng trong một số trường hợp có thể sinh ra sản phẩm chuyển vị,
trong đó nhóm thứ hai lại không đính vào nguyên tử cacbon nói trên.
2. Phân loại: gồm 3 loại chính:
- Thế nucleophin (S
N
).

- Thế electrophin (S
E
).
- Thế theo cơ chế gốc ( S
R
).
3. So sánh cơ chế S
R
với S
N
2
3.1.Khái niệm chung [1]
- Phản ứng thế nucleophin S
N
xảy ra bằng sự tấn công của tác nhân nucleophin
(Y) vào trung tâm thiếu electron và sự phân cắt anionit của nhóm đi ra (X) cùng với
cặp electron của mình
Sơ đồ phản ứng S
N
2
- Phản ứng thế gốc: nét đặc trưng của các hợp chất no, đặc biệt là hyđrocacbon
no, là tham gia phản ứng thế theo cơ chế gốc S
R
, trong đó nguyên tử hyđro đính vào
cacbon no được thay thế bằng halogen hay một nhóm nguyên tử khác. Quan trọng hơn
cả là phản ứng halogen hóa theo cơ chế gốc.
Sơ đồ phản ứng theo cơ chế gốc tự do S
R
R—H + XY → RX + HY
3.2. Nhận diện phản ứng

Phản ứng S
R
Phản ứng S
N
2
Chất
phản ứng
Là cacbon lai hóa sp
3
(C-H, C-C)
Chất phân cực
−+
→
δδ
XR
+R : nguyên tử cacbon ở trạng thái
lai hóa sp
3
, sp
2
hay sp và những
nguyên tố khác như O, N, S Phản
ứng điển hình là phản ứng S
N
dễ xảy
ra ở cacbon lai hóa sp
3
có mật độ
electron nhỏ nhất, hạt nhân không bị
4

chắn và tác nhân dễ tiếp cận
+X : Những nguyên tố hay nhóm có
độ âm điện cao đi ra ở dạng anion X
-
như, Hal, OH, OR, OSO
2
R,
OCOR, hoặc những nhóm chứa
điện tích dương đi ra ở dạng phân tử
trung hòa như N
+
R
2
, S
+
R
2
,
Tác nhân XY là những phân tử có khả năng
tạo gốc tự do, tồn tại ở trạng thái
hơi như X
2
( X là halogen, nitơ),
SO
2
Cl
2
, CCl
3
Br, CF

3
I, HX, HOH,
H
2
O
2
, R
3
COCl,
+Anion như C
-
, H
-,
O
-
, S
-
, N
-
+Phân tử trung hòa:
• Y như HOH, H-Hal, H-
NH
2
,
• Y như Cl:PCl
4
, Cl:PCl
2
,
Br:PBr

2
,
Điều
kiện
phản ứng
+Xảy ra ở năng lượng cao ( đun
nóng, ánh sáng khuếch tán, đèn
chiếu)
+Dung môi không phân cực
+Xúc tác thường dùng các loại
peoxit
+Xảy ra ở nhiệt độ không cao
+Dung môi phân cực
+Xúc tác : phản ứng thường có xúc
tác (axit, bazơ phụ thuộc là xúc tác
cho chất phản ứng hay tác nhân).
3.3.Cơ chế phản ứng
* S
N
2 : phản ứng xảy ra qua một giai đoạn
R—X + Y
-
[ Y
δ-
…R…X
δ-
] Y — R + X
-

Ví dụ:

*S
R
: phản ứng xảy ra qua ba giai đoạn
+ Giai đoạn khơi mào:
5
X—X
→
γ
h
X
·

+ X
·
Giai đoạn hình thành gốc trung gian phản ứng X là giai đoạn khơi mào. Sự tạo thành
gốc tự do bằng chất kích thích, nhiệt hay quang hóa hoặc bằng phản ứng oxi hóa khử.
+ Giai đoạn phát triển mạch
X
·
+ R—H
→
XH + R
·
(1)
R
·
+ X—X
→
RX + X
·

(2)
Giai đoạn này có năng lượng hoạt hóa nhỏ, mỗi gốc tạo thành trong phản ứng
kích thích gây ra sự chuyển hóa phân tử, do đó tốc độ kích thích có thể nhỏ nhưng tốc
độ phát triển mạch rất lớn. Phản ứng chuỗi đặc trưng bằng chiều dài mạch tương ứng
với số giai đoạn phát triển mạch lặp lại nhiều lần

cho một giai đoạn khơi mào. Tốc đọ
giai đoạn này xác định tốc độ chung của phản ứng cũng như tính chọn lọc của phản
ứng thế.
+ Tắt mạch:
R
·
+ R
·
→
R—R
X
·
+ X
·
→
X—X
R
·
+ X
·

→
R—X
Phản ứng tắt mạch làm mất trung tâm gốc cần thiết cho sự phát triển mạch, nên

giai đoạn tắt mạch càng lớn thì chiều dài mạch càng nhỏ.
Phản ứng tắt mạch có thể thực hiện bằng tương tác của hai gốc tự do gọi là tổ
hợp, hoặc bằng chuyển hiđro giữa hai gốc để tạo thành hợp chất no và chưa no, gọi là
sự chuyển không cân đối. Nói chung để trể thành phân tử trung hòa cần hai gốc tự do.
Như vậy ta thấy cơ chế S
N
2 xảy ra qua một giai đoạn, là cơ chế đồng bộ, trực
tiếp không có hợp chất trung gian mà tạo thành trạng thái chuyển lưỡng phân tử xác
định tốc độ phản ứng. Còn cơ chế gốc xảy ra qua ba giai đoạn hình thành gốc tự do.
3.4. Động học phản ứng [3]
* Phản ứng S
N
2 là phản ứng bậc hai, song nếu tác nhân Y vừa là dung môi thì
có bậc nhất hay giả bậc nhất.
+Tốc độ phản ứng: v=k[RX] [Y
-
]
Giản đồ năng lượng của phản ứng S
N
2 như sau:
Trạng thái chuyển
6
tọa độ phản ứng
* Phản ứng S
R
:Động học của phản ứng chuỗi được xác định ở trạng thái dừng,
ở đó nồng độ gốc mất đi và tạo thành bằng nhau, tốc độ kích thích và tắt mạch bằng
nhau.
Vận tốc phản ứng: v=k
tm

[R
·
] [ X
2
] =k
tm
(k
kt
/2k
tm
)
1/2
[X
2
]
3/2

Trong đó: k
tm
: hằng số tắt mạch
k
kt
: hằng số kích thích
3.5.Hóa lập thể
Về mặt hóa học lập thể, phản ứng S
N
2 là quay cấu hình vì hợp chất ban đầu có
tính hoạt động quang học sẽ đi qua phức hoạt hóa có trung tâm chiral hay bất đối xứng
mà khi thủy phân sẽ cho sản phẩm hoạt động quang học. Cấu hình của sản phẩm
ngược với cấu hình của chất ban đầu, nghĩa là có sự quay cấu hình:

Ví dụ: Khi cho NaI tác dụng với (S)-2-clobutan sẽ thu được (R)-2-iotbutan
*S
R
:Giai đoạn quyết định cấu hình của sản phẩm là (2) trong giai đoạn phát triển
mạch. Vì R có cấu trúc phẳng hay gần phẳng nên X
2
tấn công R từ hai phía với xác
suất gần như nhau. Như vậy, phản ứng S
R
dẫn tới sự raxemic hóa.
7
Ví dụ:
Như vậy phản ứng S
N
2 làm quay cấu hình còn phản ứng S
R
tạo hỗn hợp
raxemic.
3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
3.6.1. Cấu trúc chất ban đầu
* S
N
2
+ Dẫn xuất alyl và benzyl dễ tham gia phản ứng thế S
N
2 hơn dẫn xuất ankyl còn
các dẫn xuất vinyl và phenyl lại có khả năng phản ứng rất kém.
+ Khi tăng thể tích nhóm thế ở trung tâm phản ứng , tương tác đẩy lập thể ở
trạng thái chuyển tiếp tăng, lớn hơn chất ban đầu, do đó tốc độ phản ứng giảm
+Bậc của gốc ankyl càng cao thì khả năng tham gia phản ứng S

N
2 càng giảm,
do đó dẫn xuất bậc ba không có khả năng tham gia phản ứng S
N
2, trừ một vài trường
hợp dẫn xuất bậc ba không có khả năng tạo cacbocation và dùng Y mạnh thì dẫn xuất
bậc 3 cũng có thể xảy ra theo S
N
2.
Ví dụ khả năng phản ứng CH
3
Cl> CH
3
CH
2
Cl> CH
3
CH(CH
3
)Cl>CH
3
C(CH
3
)
2
Cl
+ Cần hoạt hóa nhóm OH trước khi các chất tham gia phản ứng.
Ví dụ:
*S
R

:
+ H liên kết với gốc benzyl có khả năng phản ứng cao hơn H liên kết với gốc
ankyl
+ H liên kết với cacbon có bậc càng cao thì khả năng phản ứng càng mạnh.
8
H-C
I
< H -C
II
< H-C
III
( ngoài ra còn do bậc của cacbon càng cao, năng lượng phân li
của liên kết C-H càng nhỏ).
+ Khi bậc của cacbon như nhau, H càng gần nhóm thế hút electron, khả năng
phản ứng S
R
càng giảm.
+ Phản ứng S
R
tạo ra hỗn hợp sản phẩm với sự thay thế H ở các cacbon khác
nhau. Đồng thời phản ứng cũng tạo ra một hỗn hợp sản phẩm thế nhiều lần.
Phản ứng S
R
và S
N
2 cùng dễ xảy ra đối với dẫn xuất benzyl hơn là ankyl. Trong
khi đó bậc cacbon càng cao thì làm cho khả năng phản ứng S
R
tăng còn phản ứng S
N

2
thì ngược lại.
3.6.2. Ảnh hưởng của nhóm bị thay thế
* S
N
2: Khi tăng thể tích của nhóm đi ra, trạng thái chuyển bị mất ổn định hơn
chất ban đầu, do đó tốc độ phản ứng giảm. Còn khi các nhóm đi ra chứa nhóm thế hút
electron làm tăng phản ứng S
N
2.
3.6.3. Ảnh hưởng của tác nhân
* S
N
2:
+Phản ứng S
N
2 phụ thuộc vào tính nucleophin của tác nhân. Tính nucleophin
càng mạnh, tốc độ phản ứng càng nhanh.
+Về mặt lập thể, thể tích của Y tăng làm mất ổn định của trạng thái chuyển, làm
giảm khả năng phản ứng.
+ Về mặt electron, khi chuyển từ chất ban đầu sang trạng thái chuyển tiếp, nếu
là Y
-
thì điện tích âm trong phức giảm, nếu Y là phân tử trung hòa thì Y trong phức
xuất hiện điện tích dương.
+ Các Y có nhóm thế hút electron có tính bazơ giảm, đồng thời cũng làm giảm
khả năng phản ứng.
*S
R
:

+ Flo thường phản ứng mãnh liệt tạo ra sản phẩm hủy (HF, C). Trong những
điều kiện thật êm dịu như pha loãng ở tướng khí bằng CF
2
Cl
2
hoặc nitơ trong tối hoặc
thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp -80
0
C, người ta cũng chỉ thu được dẫn xuất poliflo
+ Iot rất kém hoạt động, phản ứng iot hóa thu nhiệt, thuận nghịch (phản ứng
nghịch dễ hơn), cho nên muốn phản ứng xảy ra phải dung HIO
3
để oxi hóa HI sinh ra
+ Clo và brom có độ hoạt động vừa phải. Phản ứng clo hóa và brom hóa xảy ra
tương đối êm dịu. Có hai điều đáng chú ý:
9
Khả năng phản ứng của brom kém hơn clo. Brom tác dụng rất chậm với CH
4
,
khó phản ứng với (CH
3
)
4
C và không phản ứng với C
6
H
5
C(CH
3
)

3
Tính chọn lọc của brom cao hơn clo. Khi brom hóa hầu như chỉ tạo dẫn xuất
bậc cao.
3.6.4. Ảnh hưởng của dung môi [2]
* S
N
2:
Đối với phản ứng S
N
quan trọng là sự solvat hóa anion bị tách ra. Khi một hệ
được solvat hóa, năng lượng sẽ giảm, vận tốc phản ứng tăng.
Dung môi càng phân cực khả năng solvat hóa ion càng tăng.
+ Dung môi đồng thời có cả 2 tính chất nucleophin và electrophin như H
2
O,
ROH, RCOOH, amin làm tăng vận tốc S
N
2
+ Dung môi có tính nucleophin như ete, đioxan, axeton, axetonitrin,
nitrometan… làm tăng vận tốc S
N
2
+ Dung môi có tính electrophin như các axit Liuyt thường dùng làm xúc tác
*S
R
: Phản ứng gốc ít nhạy cảm với tính phân cực của dung môi. Tính chọn lọc
của phản ứng lớn khi dùng dung môi có khả năng tạo phức π với gốc tự do, nhất là
tính chọn lọc tăng khi dùng dung môi thơm.
Như vậy tính phân cực của dung môi ảnh hưởng lớn đến vận tốc phản ứng S
N

2
nhưng ít ảnh hưởng đến phản ứng S
R
.
PHẦN THỨ BA KẾT LUẬN
Qua sự so sánh hai cơ chế S
N
2 và S
R
ta thấy các yếu tố cơ bản của hai phản ứng
hoàn toàn khac nhau
10
1.Về cơ chế, phản ứng S
N
2 xảy ra một giai đoạn còn phản ứng S
R
xảy ra quaba
giai đoạn.
2.Phản ứng S
N
2 có sự quay cấu hình sản phẩm còn phản ứng S
R
tạo ra hỗn hợp
raxemic
3. Phản ứng S
N
2 xảy ra trong dung môi phân cực ở nhiệt độ không cao còn phản
ứng S
R
xảy ra trong dung môi không phân cực cần có năng lượng cao.

Như vậy ta thấy hai phản ứng hầu như không có sự cạnh tranh lẫn nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đào Hùng Cường, Đại cương hóa hữu cơ, NXB khoa học và kỹ thuật, 2009.
2. Trần Quốc Sơn, Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Tập 2, Cơ chế phản ứng, NXB giáo
dục, 1979.
11
3. Thái Doãn Tĩnh, Giáo trình cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, NXB khoa học kỹ thuật Hà
Nội, 2000.
12