Phản ứng thế của nhân nucleophil

MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN
I. CƠ CHẾ PHẢN ỨNG S N

2

Đặc điểm cơ bản của phản ứng S N là hình thành phức hoạt động hay là trạng
2

thái chuyển tiếp trong quá trình phản ứng, chứ không tạo ra sản phẩm trung gian. Khi
tác nhân nucleophin đến gâpf chất phản ứng, liên kết mới giữa cacbon với nhóm Y
được hình thành đồng thời với sự yếu đi và đứt ra của liên kết cũ giữa cacbon vứi nhóm
X. Như vậy, cả hai thành phần của hỗn hợp phản ứng (tác nhân Y − và chất phản ứng
RX) đều tham gia vào giai đoạn quyết định của phản ứng tức là giai đoạn tạo ra trạng
thái chuyển tiếp:
Y- + R-X → Y δ- ...R...X δ- → Y-R+X Thí dụ: Khi cho bromua metyl tác dụng với dung dịch hydroxyt natri tạo ra mêtanol, cơ
chế phản ứng như sau:
H

H
-

OH +

H

C
H

Br

H

HO ... C ... Br
H

H

HO

C

H + BrH

Bậc của phản ứng là 2 (tốc độ = k[CH3Br][HO-])
Những phản ứng như vậy được gọi là phản ứng S N . Chú ý rằng số 2 nói lên
2

phân tử số của phản ứng chứ không phải nói lên bậc động học, tức là chỉ cho biết số
tiểu phân tham gia trong giai đoạn quyết định tốc độ của phản ứng.
Xét phương diện hướng không gian trong phản ứng S N ta thấy sự tiến công của
2

tác nhân Y- vào nguyên tử cacbon trong phân tử R1R2R3 C – X có thể xảy ra theo hai
khả năng. Một là tiến công từ phía đối diện với nhóm X, hình thành trạng thái chuyển
tiếp I và cuối cùng tạo ra sản phẩm Y – CR 1R2R3 với cấu hình khác hợp chất ban đầu.
Hai là, Y- tiến công từ phía có nhóm X, sinh ra trạng thái chuyển tiếp II và sản phẩm
của phản ứng Y – CR1R2R3 có cấu hình giống với cấu hình của hợp chất ban đầu:


R1

R1
Y
R1
Y+

R2

C
R2

C

X

Y

R2 + X

C

R3

R3

X

R3
R2

R1

X

R1
C
R3

R2
Y

C

Y+X

R3

Ở cấu tạo I các liên kết C-R nằm trên mỗi mặt phẳng hay gần như vậy, các nhóm X và
Y với bản chất giống nhau được phân bố xa nhau và ở trên tạo II X và Y được phân bố
gần nhau. Do đó cấu tạo I nghèo năng lượng hay là ổn định hơn cấu tạo II và phản ứng
xảy ra theo hướng thư nhất thuận tiện hơn theo hướng thứ hai.
Như vậy có thể nói: Phản ứng thế S N làm quay cấu hình của phân tử.
2

Tất cả các dữ kiện thực nghiệm về phản ứng S N hoàn toàn phù hợp với các kết
2

luận về cơ chế và hóa lập thể của phản ứng nêu trên:
Nếu không lấy dư tác nhân nucleophin quá nhiều, bậc động học của của phản ứng luôn
luôn bằng 2. Nói cách khác, phản ứng có bậc một đối với mỗi chất tham gia phản ứng:
v = k[Y-][RX], cho nên tăng nồng độ của tác nhân tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh.

Phản ứng có đặc thù lập thể rõ rệt, luôn luôn có cấu hình D trở thành hợp chất có cấu
hình L và ngược lại; hợp chất ểytro tạo thành hợp chất treo và ngược lại.
Ví dụ: ta biết rằng phản ứng tôsylat hóa alcol I bằng p – tôluensunfoclorua (tôsyl
clorua. Ts – Cl) không làm đứt liên kết C * - O. Người ta cũng biết rằng phân tử axetat
III trong kiềm đương nhiên không dụng gì đến liên kết C * - O và do đó không làm thay
đổi cấu hình của axetat được.
Thực nghiệm cho biết alcol IV là đối quang của alcol I, điều đó chứng tỏ trong
giai đoạn thế nucleophin II – III có sự quay cấu hình:


R1

R1
Y+

Ts - Cl
*
C OH

R2
R3

R1
HO *C

OH-

R2

R2

C OTs
(II)
R3
CH3COO
R1
R2
CH 3COO *C

R3

R3

Phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất electron trung tâm, ngoài ra còn phụ
thuộc bản chất của tác nhân, và các yếu tố khác nhau nữa. Nhựng sự phụ thuộc đó rất
đặc thù cho cơ chế S N .
2

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng S N thường rất nhỏ so với năng lượng ion hóa
2

của phản ứng S N , trong khi đó entropi hoạt hóa lại có giá trị âm rất lớn.
1

II. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN
Trong số những cơ chế thế nucleophin kể trên quan trọng và phổ biến hơn cả là
các cơ chế S N và S N . Một hợp chất hữu cơ có thể tham gia phản ứng thế nucleophin
2

1

theo cơ chế S N hay cơ chế S N hay cả hai với những tốc đọ nhất định. Điều đó phụ
2

1

thuộc trước hết vào gốc R trong RX, bản chất của nóm bị thay thế X, bản chất tác nhân
Y-, ảnh hưởng của dung môi... và nhiều yế tố khác.
1. ẢNH HƯỞNG VỀ CẤU TẠO CỦA GỐC HỮU CƠ R.
Cấu tạo của gốc hữu cơ R có ảnh hưởng quyết định đến phản ứng thế nucleophin.
Có những gốc R làm cho hợp chất gần như chỉ có thể dễ dàng tham gia phản ứng theo
cơ chế S N (như gốc ankyl bậc nhất), có những gốc khác lại làm cho hợp chất chỉ dễ
2

tham gia phản ứng S N (như các gốc ẩlkyl và ankyl bậc cao). Mặt khác cũng có những
1

gốc làm thuận lợi cho cả hai cơ chế S N và S N (như alyl, ảylmetyl); trái lại có một số
2

1

gốc làm cho phân tử khó tham gia bất kỳ một phản ứng nào kể trên (các gốc vinyl,
phênyl)
a.

Gốc alkyl


Độ phân nhánh hay bậc của của gốc alkyl có ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng. Các

kết quả khảo sát bằng thực nghiệm cũng như lý thuyết đi đến kết luận rằng bậc của gốc
alkyl càng cao thì khả năng phản tham gia phản ứng S N càng giảm, trong khi đó khả
2

năng phản ứng S N càng tăng. Chẳng hạn tốc độ tương đối (k t,đ) của phản ứng S N trong
1

1

axit fomic đối với bromua alkyl biến đổi như sau:
R :

CH3

kt,đ:

1,0

CH3CH2

(CH3)2CH

1,7

44,7

(CH3)3C
108

Sự biến thiên tốc độ tương đối của phản ứng S N giữa các dẫn xuất brom đó vơí ion I 2

trong axeton lại theo chiều ngược lại:
R :
CH3
CH3CH2
(CH3)2CH
(CH3)3C
ktđ:
145
1,0
0,0078
< 0,00051
Sự giảm khả năng tham gia phản ứng S N khi bậc của gốc alkyl tăng lên có thể do hai
2

nguyên nhân.
Một là, các nhóm alkyl ở nhánh có hiệu ứng +I do đó làm giảm điện tích dương
δ + ở nguyên tử cácbon trung tâm:

δ +δ −

H CH2 X

CH3

δ +δ −
CH2 X

Sự giảm điện tích dương như vậy không thuận lợi cho sự tấn công của tác nhân
nucleophin Y-, cũng không thuận lợi cho trạng thái chuyển tiếp vì ở trạng thái chuyển

tiếp có sự phân tán điện tích âm.
Hai là, nguyên nhân về hiệu ứng không gian (quan trọng hơn). Hiệu ứng này
không những thể hiện ở sự cản trở không cho tác nhân nucleophin lại gần nguyên tử
cacbon trung tâm trong chất đầu R-X (vì các nhóm alkyl có kích thước lớn), mà còn vì
nguyên tử cacbon trung tâm ở trạng thái chuyển tiếp nối với năm nhóm nguyên tử chứ
không phải bốn nhóm như ở chất đầu. Sự tăng kích thước của nhóm alkyl sẽ làm tăng
sức căng ở trạng thái chuyển tiếp, do đó tăng năng lượng hoạt hóa và tốc độ phản ứng
giảm đi.
Sự tăng khả năng tham gia phản ứng S N khi bậc của gốc hydrocacbon tăng, chủ
1

yếu vì ảnh hưởng đẩy electron (hiệu ứng siêu liên hợp và hiệu ứng cảm ứng dương) của


các nhóm alkyl thế. Ta biết rằng trong phản ứng S N giai đoạn chậm quyết định tốc độ
1

phản ứng là tạo thành cacbocation. Cacbocation càng ổn định thì năng lượng hoạt hóa
càng nhỏ và do đó tốc độ phản ứng càng lớn. Những nhóm ankyl thế có tính đẩy e làm
giải tỏa điện tích dương ở nguyên tử cacbon trung tâm trong cacbocation cũng như như
ở trạng thái chuyển tiếp do đó làm ổn định cả hai.
b. Các gốc alyly và acrylmetyl.
Phản ứng thế S N của dẫn xuất alyl dễ xảy ra có lẽ vì trạng thái chuyển tiếp
2

tương ứng được ổn định hóa nhờ sự xen phủ giữa obitan π của nối đôi với obitan của
trạng thái chuyển tiếp. Đưa thêm một nhóm thế ankyl hay aryl vào vị trí 3 của dẫn xuất
alyl sẽ làm tăng khả năng phản ứng S N , vì những nhóm đó góp phần làm tăng tính ổn
2

định của trạng thái chuyển tiếp liên hợp. Trái lại những nhóm thế đó được đưa vào vị
trí 1 sẽ làm giảm khả năng phản ứng vì hiệu ứng không gian. Tiên tử dẫn xuất alyl, các
dẫn xuất benzyl cũng dễ dàng tham gia phản ứng S N . Đưa thêm một nhóm mêtyl nhất
2

là nhóm phênyl vào vị trí α của dẫn xuất benzyl làm cho khả năng phản ứng S N giảm đi
2

Tương tự dẫn xuất benzyl cũng dễ dàng tham gia phản ứng thế S N .
2

Trong khi các dẫn xuất alyl và benzyl có khả năng thế nucleophin rất cao, thì
ngược lại các dẫn xuất vinyl và phenyl lại có khả năng phản ứng rất kém, với dung dịch
AgNO3 hoặc KI cụng không thấy có phản ứng gì. Nguyên nhân của tính trơ hóa học đó
có thể là do sự xen phủ một phần obitan p của halogen với obitan π của gốc
hyddrocacbon và liên kết C-X đã bị ngắn lại. Về phản ứng thế của các dẫn xuất vinyl.
c. Các gốc alkyl chứa nhóm thế phụ không phải là cacbon
Ảnh hưởng của các nhóm thế không phải là cacbon như halogen, oxi...
ở trung tâm phản ứng khá phức tạp. Hiệu ứng cảm ứng âm của các nhóm đó làm tăng
điện tích dương ở nguyên tử cacbon trung tâm và làm dễ dàng thêm cho phản ứng S N .
2

2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỊ THAY THẾ
Khả năng phản ứng của các dẫn xuất RX trong các phản ứng S N không những
2

phụ thuộc cấu tạo của gốc R mà một phần còn được quyết định bởi bản chất của nóm bị


thay thế X. Nghiên cứu nhiều dữ kiện thực nghiệm người ta đã xác định được giá trị

tương đối lấy trung bình về khả năng phản ứng của các nhóm thế khác nhau trong phản
ứng thế nucleophin
I
3

Br

OH2

S(CH3)2

1

1

Cl

0,5

0,02

ONO2
0,01

F
10-4

OH
10-10

So sánh khả năng phản ứng của các nhóm X khác nhau ở trên chúng ta thấy ngay
răng trong các dẫn xuất halogen dẫn xuất iot có khả năng phản ứng cao nhất và kém
nhất là xẫn xuất flo
-I > -Br > > -Cl >> -F
Nguyên nhân ở đây có thể là do độ dài liên kết C-I là lớn nhất và sự phân cực
hóa ở iot là cao nhất. Mặt khác người ta còn thấy rằng tuy ái lực đối với electron cảu
nguyên tử iot là nhỏ nhất nhưng năng lượng phân ly liên kết C-I cũng nhỏ nhất và có
thể có bù trừ giữa năng lượng liên kết và ái lực đối với electron.
Các nhóm arensufo có khả năng phản ứng rất coa vì đó là những nhóm hút
elctron mạnh. Điều giả thích đó trở nên chắc chắn hơn khi xét ảnh hưởng của các nhóm
thế khác nhau (NO2, Br2, CH3) ở vị trí para đến khả năng phản ứng của nhóm
benzensunfo
O
S

..
O

O

Trái với nhóm benzensunfo, nóm hydroxy có khả năng phản ứng rất kém, bình
thường nó không thể nào tách ra thành ion hydroxyl được. Vì thế các alcol chỉ có thể
được ezzte hóa tron môi trường axet thí dụ halogenhydric, còn êt thường cũng chỉ bị
phân cắt trong môi trường axets mà thôi. Trong môi trường axit, alcol và ete bị proton
hóa thành ion oxoni phân cực mạnh, do đó có khả năng phản ứng cao hơn alcol tự do
rất nhiều và gần như dẫn xuất brom hoặc dẫn xuất clo
OH2

>>

OH


Vì alcol và ete chỉ có tính bazo yếu cho nên phải dùng axit mạnh (các ete rất dễ
bị phân cắt bởi axit iothydric). Khi đã tạo ra ion oxoni phân cực mạnh, do đó có khả
năng phản ứng theo

SN1 hay SN 2 tùy

R OH + H+

theo cấu tạo của gốc R và tính chất của dung môi:

R O H
H

R O H

R + H2O;

R

R X

+ X

(SN1)

H
R O H + HX

R X + H 3O

(SN2)

H

3. ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN NUCLEOPHIN
Một trong những cách phân biệt cơ chế lưỡng phân tử với cơ chế đơn phân tử là dựa
vào sự khác nhau về ảnh hưởng của tác nhân nucleophin: tốc độ quá trình lưỡng phân
tử phụ thuộc lực nucleophin của tác nhân, còn tốc độ phản ứng đơn phân tửu lại không
phụ thuộc vào các yếu tố đó. Thực nghiệm đã chứng minh răng trong phản ứng đơn
phân tử tác nhân nucleophin khá nhau phản ứng với cùng một tốc độ. Khi thủy phân
clorua t-butyl trong dung dịch axit fomic - nước, tốc độ thủy phân sẽ không đổi nếu có
thêm fomiat canxi hoặc cloaxetat can xi, mặc dù trong các sản phẩm phản ứng có
fomiat t-butyl và cloaxetat t-butyl.
Như vậy chỉ phản ứng

S N 2 mới

phụ thuộc lực nucleophin hay tính nucleophin của

tác nhân. Tính nucleophin biểu thị khả năng của tác nhân tác nhân tác dụng với nguyên
tử cacbon mang một phần điện tích dương nhờ có cặp electron tự do. Giữa tính
nucleophin và tính bazo thường có sự song song: những bazo mạnh như C 2H5O-, OHthường cũng là tác nhân nucleophin mạnh, nhưng không phải bao giờ cũng đúng như
vậy: lực nucleophin là một đặc tính phức tạp của tác nhân, nó phụ thuộc lực bazo, độ
phân cực hóa và yếu tố không gian.
4. ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI.

Những phản ứng thuần túy
phản ứng thành

SN 2

và

S N 1 người

S N 2 là

những trường hợp lý tưởng; khi phân chia các

ta đã đơn giản hóa vấn đề vì đã bỏ qua tương tác với

môi trường. Thực ra nếu không có tương tác với môi trường phản ứng nucleophin nói
chung không thể xảy ra. Chẳng hạn amin và halogenua alkyl ở tướng khí không phản
ứng với nhau. Phản ứng giữa triphenylclometan và metanol trong benzen xảy ra với tốc
độ v=k[(C6H5)3CCl][CH3OH]2.