Tiểu luận cơ chế phản ứng so sánh phản ứng SN1 và AE

I. MỞ ĐẦU
1. Phản ứng thế Nucleophin
Phản ứng thế Nucleophin (S
N
) xảy ra bằng sự tấn công của tác nhân
nucleophin (Nu) vào trung tâm thiếu electron và sự phân cắt anionit của nhóm đi
ra (Z) cùng cặp electron liên kết (Z:). Phản ứng thế nucleophin thường xảy ra với
hợp chất no (cacbon sp
3
) vì nguyên tử cacbon sp
3
có mật độ electron nhỏ nhất, hạt
nhân không bị chắn, tác nhân nucleophin dễ dàng tiếp cận. Tác nhân Nu thường
là anion như: C
-
, H
-
, O
-
, N
-
, S
-
…hoặc những phân tử trung hòa như HOH, RNH
2
,
PH
3
…
Phản ứng S
N

1 là phản ứng thế nucleophin có sự phân cắt liên kết C-Z
trước hay nhóm đi ra trước, nhóm tấn công nucleophin sau:

2. Phản ứng cộng electrophin
Phản ứng cộng electrophin (A
E
) xảy ra ở những hợp chất không no chứa
liên kết bội (liên kết đôi, liên kết ba) bằng tác nhân electrophin và đây là phản
ứng phân cực.
Phản ứng có sơ đồ chung như sau:


Tác nhân trong phản ứng công electrophin không nhất thiết phải là ion
dương. Tác nhân electrophin thường là những tiểu phân có obitan trống ở dạng
cation hay phân tử trung hòa hay đầu dương của một liên kết phân cực của tác
nhân. Ví dụ:
II. NỘI DUNG:
1.Cơ chế phản ứng S
N
1:
Phản ứng có hai giai đoạn

Tốc độ phản ứng là:


Khi có nucleophin mạnh, k
2
> k
-1
, tốc độ phụ thuộc vào giai đoạn xác định

tốc độ phân li ra ion và tốc độ không phụ thuộc vào [Nu].
Giai đoạn tương tác cacbocation với tác nhân Nu xảy ra nhanh, giản đồ phản
ứng như hình 1.1.
Hình 1.1: Giản đồ thế năng của S
N
1
Trên giản đồ cho thấy giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn ion
hóa. Kh tăng nồng độ của ion đồng dạng, tốc độ phản ứng giảm gọi là hiệu ứng
ion chung. Khi thêm muối không có ion đồng dạng thì tốc độ phản ứng tăng do
tăng lực ion của dung dịch, gọi là hiệu ứng muối bậc nhất. Hiệu ứng ion chung
chứng tỏ cơ chế phản ứng là S
N
1, có tạo ra ion tự do: cation và anion.
Giai đoạn thứ hai là tương tác ion cacboni với Nu
-
phụ thuộc vào tương tác
tĩnh điện là tương tác khống chế điện tích:

Giai đoạn đầu là sự ion hóa chậm chất ban đầu và là giai đoạn quyết định
tốc độ phản ứng. Giai đoạn thứ hai xảy ra nhanh giữa chất trung gian và
nucleophin. Sự ion hóa luôn luôn được hỗ trợ bởi dung môi nên năng lượng cần
thiết cho sự phân cắt liên kết C-Z lớn được bù trừ bằng solvat hóa của R
+
và Z
-
.
Chẳng hạn, ion hóa tert-butyl clorua thành cation tert-butyl và Cl
-
trong pha khí
không có dung môi cần 150 kcal/mol (630 kJ/mol), khi không có dung môi thì ở

điều kiện thường không xảy ratrwf ở nhiệt độ cao, trong nước, sự ion hóa chỉ cần
20 kcal/mol (84 kJ/mol). Sự khác nhau đó là năng lượng solvat hóa. Trong
trường hợp dung môi có tham gia vào quá trình đi ra của nhóm đi ra từ phía đối
diện, ở đây không có tham gia phía sau của dung môi, cơ chế gọi là S
N
1 giới hạn.
Cũng có dữ liệu động học và chứng minh khác, Z đi ra từ RZ với hai phân tử
dung môi proton tạo liên kết hiđro với Z:

Cơ chế S
N
1 là bậc nhất theo định luật tốc độ: (*)
Trong giai đoạn chậm này chỉ có chất ban đầu tham gia, tốc độ chỉ phụ thuộc
vào nồng đọ chất ban đầu, mặc dù dung môi cần cho sự ion hóa nhưng không có
trong phương trình tốc độ và hàm lượng quá dư. Tuy nhiên nhiều trường hợp cho
thấy phản ứng đơn thuần là S
N
1 nhưng cũng có trường hợp khác có động học
phức tạp, trong trường hợp này có thể dựa vào tính thuận nghịch của giai đoạn 1.
Z
-
hình thành ở giai đoạn này cạnh tranh với Nu
-
cho cation và tốc độ có thể thay
đổi như sau:


Ở đầu phản ứng, nồng độ Z
-
rất nhỏ, k

-1
[Z] có thể bỏ qua so với k
2
[Nu] nên
theo phương trình (*). Cơ chế S
n
1 nói chung là bậc nhất ở giai đoạn đầu, nhiều
nghiên cứu cho thấy đi lệch nguyên tắc đó. Trung phản ứng dung môi phân S
n
1.
[Z] theo phương trình (**) và thấy tốc độ giảm. Như trường hợp diaryl metyl
halogenua, không phải tert-butyl halogenua, theo phương trình (*). Giải thích sự
khác nhau đó là cation tert-butyl kém chọn lọc hơn, diaryl metyl tương đối hơn.
Tuy nhiên ion halogenua là nucleophin mạnh hơn nước, có nhiều nước hơn như
là dung môi, cation diarylmetyl chọn lọc hơn tổ hợp với phân tử dung môi trước
khi kết hợp với halogen, còn cation tert-butyl kém chọn lọc hơn không thể chờ
đợi ion halogen tương đối hiếm hơn mà tổ hợp với dung môi.
Nếu Z hình thành trong phản ứng làm giảm tốc độ, có thể tìm thấy bằng cách
thêm ion Z và sẽ thấy giảm tốc độ. Sự chậm đó khi thêm Z gọi là hiệu ứng ion
chung hay hiệu ứng định luật khối lượng. Khi thêm ion Z làm giảm tốc độ đối với
điarylmetyl, không giảm đối với tert-butyl.
(**)
Cacbocation trong S
N
1 khó có thể phát hiện vì đời sống ngắn, nhưng trong
trường hợp 3,4

– dimetoxydiphenylmetyl axetat (2) và vài chất khác trong dung
môi phân cực có thể kích thích quang phân và dưới điều kiện đó phổ UV có thể
phát hiện chất trung gian cation chứng minh cho S

N
1.

(2)
Trong phản ứng S
N
1 có sự hình thành cacbocation, nếu cacbocation này tự
do, cấu trúc phẳng và sự tấn công của Nu ở hai phía của mặt phẳng giống nhau
thì thu được sản phẩm raxemic hóa hoàn toàn. Song có nhiều phản ứng cho sản
phẩm raxemic hóa, nhiều phản ứng khác lại không, có phản ứng nghịch đảo
khoảng 5% đến 10% nghịch đảo cấu hình và cũng có trường hợp hoàn toàn bảo
toàn cấu hình.
Những kết quả đó dựa trên sự hình thành cacbocation không phải hoàn toàn
tự do mà ở dạng cặp ion như sau.

Chất ban đầu trạng thái chuyển cặp ion liên kết cặp ion phân chia ion tự do solvat hóa
Trong đó, cặp ion liên kết có nghĩa là hai ion ở gần nhau, có thể gọi là cặp
ion chặt, cặp ion phân chia là hai ion bị phân cách bởi một lớp dung môi solvat ở
trạng thái lỏng lẻo hơn và ion tự do ở trạng thái solvat của dung môi. Cặp ion liên
kết hay chặt có thể tổ hợp với nhau cho trở lại chất ban đầu, có xác suất tạo liên
kết giữa R
+
và Z
-
và giữ được tính bất đối xứng. Nu
-
chỉ solvat được ở phía ngược
với Z
-
, cho nên dẫn dến nghịch đảo cấu hình.

Như biểu diễn theo sơ đồ sau, phản ứng với dung môi SH bỏ qua phản ứng
chuyển vị và tách.


Do độ bền của cacbocation nên trong các phản ứng thế S
N
1 có sự chuyển vị
cacbocation từ bậc thấp sang bậc cao và sản phẩm thu được cũng phụ thuộc vào
sự chuyển vị này, chẳng hạn:

2-clo-3-metylbutan 2-clo-2-metylbutan(ưu tiên)
Thường có hai trường hợp chuyển vị:

2. Cơ chế cộng A
E
Trong cơ chế này, giai đoạn đầu giống S
N
1 cation hình thành có thể tồn tại
ở dạng cation vòng oni do tương tác của obital trống của cation vời obital n của
electrophin:

Chất trung gian này hình thành như là cơ chế nhóm kề trong phản ứng thế
nucleophin và sự tấn công của nucleophin ở giai đọan 2 cũng giống như S
N
2 là
tấn công sau.
Nghiên cứu về cấu trúc obital cho thấy, ion cầu bền hơn ion dạng hở và sự
hình thành ion cầu là cân bằng.
Như vậy có cơ chế cacboncation tự do và cacboncation cầu nhưng đều là
cơ chế A

E
2.
Để phân biệt 2 cơ chế này, người ta dùng phương pháp lập thể. Tính lập thể
của phản ứng là hai cacbon của liên kết đôi và bốn nguyên tử liên kết trong chất
trung gian là phải ở trên một mặt phẳng nên có 3 khả năng: E và Y đi vào cùng
một phía của liên kết đôi, gọi là đồng phẳng syn hay cộng đặc thù lập thể syn
(cis), đi vào từ 2 phía đối ngược nhau gọi là đồng phẳng anti hay cộng đặc thù lập
thể anti (trans) và không đặc thù lập thể. Chẳng hạn khi cộng electrophin vào cis-
olefin theo cơ chế cộng syn cho sản phẩm cặp erythro.

Và cộng anti cho cặp threo:

Nghiên cứu cho thấy, ion cầu bền hơn ion dạng hở và sự tạo thành ion cầu là
cân bằng.
Trong trường hợp ion cầu không đối xứng như dạng:

Thì sự tấn công sau của nucleophin phụ thuộc vào điều kiện nhưng thường
ưu tiên cộng anti hơn và có sự chọn lọc vị trí.

Cơ chế này cũng hình thành cacbocation quyết định tốc độ phản ứng nhưng
tồn tại ở dạng cặp ion, phụ thuộc vào khả năng phản ứng của hai ion có thể hay
không thể trở thành ion tự do trước khi kết hợp để hình thành sản phẩm.
Phản ứng ở dạng cacbocation tự do không đặc thù lập thể vì có sự quay tự do
của ion, song còn phụ thuộc vào thời gian tồn tại của cation, tính bền của cation
và tồn tại ở dạng cặp ion. Nếu tồn tại ở dạng cặp ion thì có cộng hợp syn.

Phản ứng cộng có thể xảy ra bằng sự tấn công ban đầu không vào một
cacbon mà đồng thời vào cả hai cacbon:

Trong trường hợp electrophin là proton, sự hình thành ion cầu là không thể

và cơ chế là cộng A
E
đơn giản:

Phản ứng cộng được quyết định bằng sự hình thành cacbocation và trạng
thái chuyển gần về phía cacbocation nên phản ứng phải được ưu tiên tạo thành
cation bền, do đó nếu cộng vào nối đôi thì có thể phát biểu tổng quát hướng cộng
như sau: Phản ứng công electrophin xảy ra theo hướng tạo thành cacbocation bền
hơn.
nghĩa là cation bền hơn cho phản ứng nhanh hơn do có năng lượng hoạt hóa thấp
hơn. Nếu năng lượng các cacbocation khác nhau càng lớn thì tỉ lệ sản phẩm khác
nhau về hướng càng lớn, nếu ít khác nhau thì tỉ lệ khác ít khác nhau.
Nếu trường hợp phản ứng tạo phức
π
, sự tấn công của nucleophin luôn
hướng vào cacbon ankyl nhiều hơn, chẳng hạn phản ứng:

Tính bền của cacbocation phụ thuộc vào nhóm thế.
III. KẾT LUẬN
* Trong cơ chế phản ứng S
N
1 và A
E
, giai đoạn đầu của phản ứng đều có sự
tạo thành cacbocation.
Cơ chế phản ứng S
N
1:

Cơ chế phản ứng A

E
:
* Trong phản ứng A
E
, cation hình thành có thể tồn tại ở dạng cation vòng oni
do tương tác của obital trống của cation vời obital n của electrophin:
Chất trung gian này hình thành như là cơ chế nhóm kề trong phản ứng thế
nucleophin
Trong phản ứng A
E
và S
N
1, do độ bền của cacbocation nên cacbocation
mạch hở có sự chuyển vị và sản phẩm tạo thành của các phản ứng trên phụ thuộc
vào sự chuyển vị này
* Phản ứng S
N
1 và A
E
có hóa lập thể khác nhau
Trong phản ứng S
N
1, cacbocation có cấu trúc phẳng nên tác nhân Nu hoặc
dung môi có thể tấn công từ phía này hoặc phía kia với xác suất như nhau, nên sẽ
thu được hỗn hợp sản phẩm giữ nguyên cấu hình và quay cấu hình (hỗn hợp
raxemic)
Phản ứng A
E
có đặc thù lập thể là cộng trans, tuy nhiên không phải mọi phản
ứng đều cộng trans mà phải xét từng trường hợp cụ thể.

* Phản ứng S
N
1 không làm thay đổi loại liên kết trong phân tử, còn phản ứng
A
E
làm thay đổi loại liên kết trong phân tử.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS.TS Thái Doãn Tĩnh, Cơ chế và phản ứng hóa học hữu cơ, tập 2, NXB
khoa học và kỹ thuật.
2. Bài giảng của GS.TS Đào Hùng Cường.