BÀI GIẢNG cơ CHẾ PHẢN ỨNG của hợp CHẤT hữu cơ

Hóa Học Hữu Cơ
TS Phan Thanh Sơn Nam
Bộ môn Kỹ Thuật Hữu Cơ
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
Trường Đại Học Bách Khoa TP. HCM
Điện thoại: 8647256 ext. 5681
Email:
1


Chương 3: CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA HỢP

CHẤT HỮU CƠ
I. Phản ứng thế ái nhân ở nguyên tử carbon no
I.1. Khái niệm chung
• Phản ứng thế: 1 nguyên tử hay nhóm nguyên tử
của chất ban đầu bị thay thế bởi 1 nguyên tử hay
nhóm nguyên tử khác
CH3-CH2-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + Cl• Tác nhân ái nhân: các tác nhân mang điện tích
âm (hay phân tử trung hòa chứa cặp điện tử tự
2
do) Æ tấn công vào trung tâm tích điện +


Phản ứng thế ái nhân (SN)
y- + R-X Æ R-y + Xy-: RO-, OH-, RCOO-, NH3, NH2R, H2O, ROH…
R: gốc hydrocarbon
X: Cl, Br, OH, OR, OSO2R…
Ví dụ:
CH3-CH2-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + ClCH3-CH2-Br + CH3O- Æ CH3-CH2-O-CH3 + BrCH3-CH2-Br + NH3 Æ CH3-CH2-NH2 + HBr
3

I.2. Phn ng th ỏi nhõn lng phõn t (SN2)
Lng phõn t: giai on chm, cú s tham gia
ca 2 tiu phõn

-

y + R-X

chaọm

a.C ch:

[y-... R ... X-]

nhanh

R-y + X-

traùng thaựi chuyeồn tieỏp
Liờn kt gia C & y hỡnh thnh ng thi vi s
yu i & t ca C & X ặ 2 tiu phõn tham gia
vo giai on chm
Nu y- khụng d nhiu: r = k[y-].[R-X] phn ng
4
bc 2


Giản đồ năng lượng:

5


• R-OH: phản ứng thế chỉ xảy ra trong môi trường
acid vì C-O bền
• Dẫn xuất của carbon bậc 1 chỉ cho SN2
SN2: carbon bậc 1 (chỉ cho SN2) > carbon bậc 2 >
carbon bậc 3 (chỉ cho SN1)
SN2: CH3-CH2-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + Cl6


b. Tính lập thể của SN2
Phân tử có chứa C*: sẽ có sự thay đổi cấu hình (R Æ
S & ngược lại) (nghịch đảo Walden)
R1

R1

y- +

H

C*
R2

(R)-

X

chaäm

y

R1

C*
H

X

nhanh

y

C*

H
R2

R2

(S)-

y- tấn công ngược hướng so với X Æ sản phẩm có
7
cấu hình ngược với tác chất


I.3. Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử (SN1)

Đơn phân tử: ở giai đoạn chậm chỉ có sự tham
gia của 1 tiểu phân
a. Cơ chế

R-X
R+

chaäm

+ y

-

R+ +

nhanh

X-

R-y

• Ở giai đoạn chậm: y- không tham gia
• SN1 thường có bậc 1 r = k[R-X]

8


Giản đồ năng lượng:

9

Dẫn xuất của carbon bậc 3 chỉ cho SN1
SN1: carbon bậc 3 (chỉ cho SN1) > carbon bậc 2 >
carbon bậc 1 (chỉ cho SN2)
Ví dụ SN1:

CH3
H3C

C
CH3

CH3
Br

+ OH-

H3C

C

OH

+ Br-

CH3
10

Tính lập thể của SN1
R1
y

R2

C*

C*

-XR2

R3

h
an
nh

R3

X

chaäm

R2
R3

nh
an
h

R1

R1

C*

R1
R2

(R1 ≠ R2 ≠ R3)

C*

y

R3

Sản phẩm có thể là hỗn hợp racemic
Carbocation có cấu trúc phẳng Æ khả năng tấn
công của y- ở 2 phía là như nhau Æ 50% S + 50% 11R


12


I.4. Các yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng thế
ái nhân
a. Ảnh hưởng của gốc R
• Gốc R bậc càng cao: Æ khả năng SN1 tăng & SN2

giảm
• SN1: carbon bậc 3 (chỉ cho SN1) > carbon bậc 2 >
carbon bậc 1 (chỉ cho SN2)
Do SN1 phụ thuộc vào độ bền của carbocation tạo thành:
CH3+

<

H
H C CH2
H

<

H
H H
HH C H
+
<
H C C
H C C+
HH C H
HH C H
H
H13


• SN2: carbon bậc 1 (chỉ cho SN2) > carbon bậc 2 >
carbon bậc 3 (chỉ cho SN1)

Bậc của R càng cao Æ y- càng khó tấn công do điện tích (+) ở C
giảm & do hiệu ứng không gian của gốc alkyl Æ SN2 càng khó
xãy ra

14


b. Ảnh hưởng của tác nhân ái nhân y• SN1: không phụ thuộc y• SN2: phụ thuộc nhiều vào y- do giai đoạn chậm có
y- tham gia
•Tác nhân có tính ái nhân càng cao thì càng dễ cho
SN2
•Thông thường, tính ái nhân đồng biến với tính
base
NH2- > (CH3)3CO- > (CH3)2CHO- > C2H5O- > CH3O> OH- > C6H5O- > HCO3- > CH3COO15


•Trong cùng 1 phân nhóm chính của bảng HTTH:
tính ái nhân nghịch biến với tính base (phản ứng
thực hiện trong H2O, ROH):
•Tính base: F- > Cl- > Br- > I•Tính ái nhân: F- < Cl- < Br- < I•Tính ái nhân: HS- > OH•Tính ái nhân: C2H5S- > C2H5O•Tuy nhiên trong pha khí, tính ái nhân: F- > Cl- > Br- > I-

• Phân biệt tính base & tính ái nhân: Tính base Æ vị
16
trí cân bằng, tính ái nhân Æ tốc độ!!!


c. Ảnh hưởng của nhóm bị thế -X
• Các nhóm thế có tính base cao Æ rất khó bị tách
ra, ví dụ: -OH, -OR, -NH2, -F…
Ví dụ: R-OH + HBrđđ Æ R-Br + H2O cần xúc tác

H2SO4
R-OH không phản ứng với KBr
• Halogen, khả năng tách nhóm: F- < Cl- < Br- < I(Do I có bán kính lớn Æ C-I dễ phân cực hơn
Năng lượng đứt liên kết: C-I < C-Br < C-Cl < C-F)
17


d. Ảnh hưởng của dung môi
• Dung môi phân cực có proton như H2O, ROH,
HCOOH… có khả năng solvate hóa cao cả anion &
cation Æ thuận lợi cho SN1

R1 H
R1
chaäm
+
R2 C X
- C+ O
-X
R3
R2 R3 H

X- H O
H

•Dung môi phân cực không có proton như
(CH3)2SO, (CH3)2NCHO… không có khả năng solvate
hóa anion Æ thuận lợi cho SN2
18

II. Phản ứng tách loại
Là phản ứng trong đó có sự tách 1nguyên tử hay
nhóm nguyên tử ra khỏi chất ban đầu
R

R

R

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

Br

OH

CH2 N+R3

ROto
H+
to
HOt

o

R

CH

CH2 +

HBr

R

CH

CH2 +

HOH

R

CH

CH2 +

HOH + NR3

• Nhóm bị tách cùng Hβ: -OH, -OR, -X, -O+(R)2,
-N+(R)3, -OSO2R…
19 • Base sử dụng: các base mạnh như OH-, RO-, NH

2


II. 1. Phn ng tỏch loi lng phõn t (E2)
a. C ch
-

y + R CH2 CH2 X

chaọm

R
y



H

C CH2

X



nhanh

H
traùng thaựi chuyeồn tieỏp
H-y + R CH CH2 + X-

giai on chm, cú s tham gia ca 2 tiu phõn
ặ lng phõn t
Tc phn ng r = k[R-X].[y-]
R-CH2-CH2-OH: ch tỏch loi trong mụi trng acid
20
o
t cao (thng l sulfuric acid, acid rn)


b.Tính lập thể của E2
• Các hydrocarbon không no Æ tách loại dễ khi
các nhóm bị tách ở vị trí trans với nhau
(1)
HOOC

H

Cl

COOH

(2)

OH-

OH-

-HCl

-HCl

COOH

chlorofumaric acid

COOH

HOOC

Cl

HOOC

H

chloromaleic acid

Tốc độ (1) lớn hơn (2) 30 lần

21


• Các hydrocarbon no hay vòng no Æ tách loại
dễ khi các nhóm bị tách ở vị trí trans, anti với nhau
• Lưu ý: dẫn xuất của cyclohexane Æ chỉ tách được
khi nhóm bị tách ở vị trí trans & phải ở kiểu liên
kết axial (trục)!!!
Br

CH3

+

H
H

CH3

saûn phaåm chính

CH3

Br

khoù
H
H
CH3

CH3

22


II.2. Phản ứng tách loại đơn phân tử (E1)
Cơ chế:

H C C X

+

H C C

chaäm

nhanh

H C C+

H+

+

X-

+

• Thường các dẫn xuất của hydrocarbon ở carbon
bậc 3 bao giờ cũng cho E1
• Carbocation càng bền, càng dễ cho E1
• Tốc độ r = k [R-X]
• Những yếu tố làm thuận lợi SN1 cũng làm thuận lợi
23
cho E1


Ví dụ:

CH3
H3C C Br

CH3
H
HH C H
H C C+
HH C H
H

chaäm

+ C2H5O-

H
HH C H
H C C+
HH C H
H
nhanh

+ Br-

CH3
+
H2C C
CH3

C2H5OH

24

II.3. Hướng của phản ứng tách loại
a. Quy tắc Zaitsev
• Dẫn xuất bậc 1 Æ thường chỉ cho 1 sản phẩm duy
nhất khi tách loại
CH3-CH2-CH2-Br chỉ cho CH3-CH=CH2
• Dẫn xuất bậc 2, bậc 3: Æ cho nhiều hơn 1 sản phẩm
H H H
H3C C C C H
H Br H

OH-

H3C CH CH CH3

H3C CH2 CH CH2

(Zaitsev)

(Hofmann)

• Sản phẩm Zaitsev : bền hơn (do +H) Æ thông
thường, phản ứng tách loại cho sản phẩm
Zaitsev
• Quy tắc: phản ứng tách loại sẽ cho sản phẩm mà
25
carbon của nối đôi lkết với nhiều nhóm alkyl nhất