Ảnh hưởng của cấu trúc đến hoạt tính hóa học các dẫn xuất halogen trong phản ứng thế nucleophin

- vi -

MỤC LỤC
Trang
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................... 1
1.1 Tính cần thiết của đề tài ..................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................ 1
1.3 Đối tƣợng nghiên cứu.......................................................................................... 1
1.4 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 1
1.5 Những đóng góp của đề tài ................................................................................. 2
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 3
2.1 Giới thiệu về phản ứng thế nucleophin ............................................................. 3
2.1.1 Phản ứng thế ....................................................................................................... 3
2.1.2 Tác nhân nucleophin .......................................................................................... 3
2.1.3 Phản ứng thế nucleophin .................................................................................... 4
2.2 Phản ứng thế nucleophin đối với dẫn xuất halogen ......................................... 4
2.2.1 Phản ứng thế SN2................................................................................................ 4
2.2.2 Phản ứng thế SN1.............................................................................................. 15
2.3 Khảo sát phản ứng thế nucleophin của dẫn xuất halogen bằng phƣơng pháp
obitan biên ................................................................................................................ 19
2.3.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 19
2.3.2 Các obitan biên................................................................................................. 19
2.3.3 Một số ứng dụng và phạm vi sử dụng .............................................................. 21
Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 22
3.1 Gaussian 03 phiên bản B04 .............................................................................. 22
3.2 GaussView 03..................................................................................................... 22
3.3 Phần mềm hỗ trợ khác...................................................................................... 23
3.4 Các phƣơng pháp tính toán .............................................................................. 23
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 35
4.1 Khảo sát trạng thái bền của các dẫn xuất halogen ........................................ 35
4.2 Nhận định khả năng phản ứng qua mật độ điện tích .................................... 36

4.3 Obitan phân tử của dẫn xuất halogen và tác nhân nucleophin .................... 37
4.4 Khảo sát phản ứng thế SN2 ............................................................................... 38
4.4.1 Cấu trúc chất tham gia, sản phẩm trong phản ứng thế SN2 giữa C2H5Cl và tác
nhân Br- ...................................................................................................................... 38
4.4.2 Năng lượng HOMO – LUMO .......................................................................... 38
4.4 3 Hiệu ứng nhiệt và biến thiên năng lượng tự do của phản ứng ......................... 39


- vii -

4.4.4 Trạng thái chuyển tiếp...................................................................................... 40
4.4.5 Năng lượng tự do hoạt hóa và hằng số tốc độ .................................................. 42
4.5 Các yếu tố ảnh hƣởng phản ứng thế SN2 ........................................................ 43
4.5.1 Ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon ..................................................................... 43
4.5.2 Ảnh hưởng của nhóm ra đi ............................................................................... 53
4.5.3 Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin ................................................................ 55
4.5.4 Ảnh hưởng của dung môi ................................................................................. 56
4.6 Khảo sát phản ứng thế SN1 ............................................................................... 62
4.6.1 Chất tham gia, sản phẩm trong phản ứng thế SN1 giữa C4H9Cl (tert – butyl
clorua) và OH- ............................................................................................................ 62
4.6.2 Hiệu ứng nhiệt và biến thiên năng lượng tự do của phản ứng ......................... 62
4.6.3 Trạng thái chuyển tiếp giai đoạn 1 ................................................................... 63
4.6.4 Các giá trị nhiệt động trong giai đoạn 1 ........................................................... 66
4.6.5 Khảo sát giai đoạn 2 ......................................................................................... 68
4.7 Các yếu tố ảnh hƣởng phản ứng thế SN1 ........................................................ 71
4.7.1 Ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon ..................................................................... 71
4.7.2 Ảnh hưởng của nhóm ra đi ............................................................................... 79
4.7.3 Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin ................................................................ 81
4.7.4 Ảnh hưởng của dung môi ................................................................................. 81
4.8 So sánh các phƣơng pháp tính khác nhau trên các cấu trúc và hệ cấu trúc

đã khảo sát ................................................................................................................ 83
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ....................................................... 88
5.1 Kết luận ............................................................................................................... 88
5.2 Khuyến nghị........................................................................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 90
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 91


- viii -

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 : Một số tác nhân nucleophin và sản phẩm thế thu được .................................. 3
Bảng 4.1 : Giá trị hệ số HOMO, LUMO của Br- và C2H5Cl .......................................... 39
Bàng 4.2: Các giá trị nhiệt động của phản ứng thế giữa C2H5Cl và Br- (T = 298,15K;
P = 1,00 atm) ................................................................................................................... 40
Bảng 4.3 : Năng lượng tự do hoạt hóa và hằng số tốc độ phản ứng thế SN2 giữa
C2H5Cl và Br- .................................................................................................................. 42
Bảng 4.4 : Giá trị nhiệt động học của hệ tham gia và hệ sản phẩm tại điều kiện tiêu
chuẩn (T = 298,15K ; P = 1,00 atm) ............................................................................... 43
Bảng 4.5: Biến thiên entanpy, entropy và năng lượng tự do của các phản ứng SN2
của các dẫn xuất khảo sát ảnh hưởng phân nhánh C và Br- .......................................... 44
Bảng 4.6 : Năng lượng tổng cộng các chất trong phản ứng SN2 của các dẫn xuất khi
khảo sát ảnh hưởng phân nhánh C và Br- ...................................................................... 44
Bảng 4.7 : Hằng số tốc độ của các phản ứng SN2 trong khảo sát ảnh hưởng phân
nhánh C và Br- ............................................................................................................... 45
Bảng 4.8 : Giá trị nhiệt động học của hệ tham gia và hệ sản phẩm tại điều kiện tiêu
chuẩn (T = 298,15K ; P = 1,00 atm) .............................................................................. 47
Bảng 4.9 : Biến thiên entanpy, entropy và năng lượng tự do của các phản ứng khảo
sát sự ảnh hưởng phân nhánh ở C .................................................................................. 47
Bảng 4.10 : Năng lượng tổng cộng của các dẫn xuất và tác nhân nucleophin trong

các phản ứng khảo sát sự ảnh hưởng phân nhánh ở C ................................................... 48
Bảng 4.11 : Hằng số tốc độ của các phản ứng khảo sát sự ảnh hưởng phân nhánh ở
C và Br- .......................................................................................................................... 48
Bảng 4.12 : Giá trị nhiệt động học của hệ tham gia và hệ sản phẩm tại điều kiện tiêu
chuẩn (T = 298,15K ; P = 1,00 atm) .............................................................................. 49
Bảng 4.13 : Biến thiên entanpy, entropy và năng lượng tự do của các phản ứng của
dẫn xuất allyl và benzyl................................................................................................... 50
Bảng 4.14 : Năng lượng tổng cộng của dẫn xuất và tác nhân nucleophin của các phản
ứng khảo sát sự ảnh hưởng khi R là gốc allyl, benzyl .................................................... 50
Bảng 4.15 : Hằng số tốc độ của các phản ứng khảo sát sự ảnh hưởng khi R là gốc
allyl, benzyl. .................................................................................................................... 50
Bảng 4.16 : Giá trị nhiệt động học của hệ tham gia và hệ sản phẩm tại điều kiện tiêu
chuẩn (T = 298,15K ; P = 1,00 atm) ............................................................................... 51
Bảng 4.17 : Biến thiên entanpy, entropy và năng lượng tự do của các phản ứng khảo
sát sự ảnh hưởng khi R là xicloankyl. ............................................................................. 52
Bảng 4.18 : Năng lượng tổng cộng của các dẫn xuất và nucleophin trong phản ứng
khảo sát sự ảnh hưởng khi R là xicloankyl ..................................................................... 52
Bảng 4.19 : Hằng số tốc độ các phản ứng khảo sát sự ảnh hưởng khi R là xicloankyl .. 53
Bảng 4.20 : Năng lượng tổng cộng của các thành phần tính năng lượng liên kết. ......... 54
Bảng 4.21 : Độ dài và năng lượng liên kết C – X........................................................... 54
Bảng 4.22 : Năng lượng liên kết C – X trong thực nghiệm. ........................................... 55


- ix -

Bảng 4.23 : Năng lượng HOMO, LUMO của OH-, SH- và CH3CH2Cl. ........................ 55
Bảng 4.24 : Năng lượng dao động điểm không của các dẫn xuất halogen trong pha
khí và trong dung môi nước với mô hình PCM .............................................................. 57
Bảng 4.25 : Năng lượng dao động điểm không của các trạng thái chuyển tiếp trong
pha khí và trong dung môi nước với mô hình PCM ....................................................... 58

Bảng 4.26 : Độ dài liên kết C – Cl của các dẫn xuất halogen trong pha khí và trong
dung môi nước với mô hình PCM................................................................................... 58
Bảng 4.27 : Năng lượng LUMO của các dẫn xuất halogen tính trong pha khí so sánh
với tính trong dung môi nước mô hình PCM ................................................................. 59
Bảng 4.28 : Giá trị năng lượng tự do của chất ban đầu tính trong pha khí so sánh với
tính trong dung môi nước mô hình PCM ........................................................................ 60
Bảng 4.29 : Giá trị năng lượng tự do của trạng thái chuyển tiếp tính trong pha khí so
sánh với tính trong dung môi nước mô hình PCM.......................................................... 60
Bảng 4.30 : Các giá trị nhiệt động của phản ứng giữa C4H9Cl (tert – butyl clorua) và
OH- (T = 298,15K; P = 1,00 atm) ................................................................................... 62
Bảng 4.31 : Entanpy, entropy và năng lượng tự do của giai đoạn 1 ............................... 68
Bảng 4.32 : Năng lượng hoạt hóa của gian đoạn 1 ......................................................... 68
Bảng 4.33 : Hằng số tốc độ của gian đoạn 1 .................................................................. 68
Bảng 4.34 : Năng lượng HOMO – LUMO các thành phần trong gian đoạn 2............... 70
Bảng 4.35 : Độ dài liên kết C – Cl trong CH3CH2CH2CH2 – Cl, CH3CH2CH(CH3) –
Cl, (CH3)3C – Cl.............................................................................................................. 72
Bảng 4.36 : Mật độ điện tích trên C trung tâm của các cacbocation .............................. 74
Bảng 4.37 : Năng lượng LUMO của một số cacbocation .............................................. 74
Bảng 4.38 : Năng lượng phân li ion của các dẫn xuất halogen bậc một tính toán trong
dung môi nước. ............................................................................................................... 75
Bảng 4.39 : Năng lượng điểm không của những cấu trúc cộng hưởng cation benzyl. ... 78
Bảng 4.40 : Độ dài của các liên kết C – F, C – Cl, C – Br trong phân tử C4H9X........... 80
Bảng 4.41 : Năng lượng tổng cộng các cấu trúc tính năng lượng liên kết. ................... 80
Bảng 4.42 : Năng lượng liên kết C – X trong thực nghiệm. ........................................... 80
Bảng 4.43 : Năng lượng dao động điểm không của các cacbocation trong pha khí và
trong dung môi nước với mô hình PCM ......................................................................... 82
Bảng 4.44 : Mật độ điện tích trên C trung tâm của các dẫn xuất halogen tính trong
pha khí so sánh với tính trong dung môi nước mô hình PCM. ...................................... 82
Bảng 4.45 : Năng lượng LUMO của các dẫn xuất halogen tính trong pha khí so sánh
với tính trong dung môi nước mô hình PCM. ................................................................. 82

Bảng 4.46 : Năng lượng dao động điểm không của các dẫn xuất halogen và một số
cacbocation ...................................................................................................................... 83
Bảng 4.47 : Năng lượng tự do của các dẫn xuất halogen và cacbocation ...................... 84
Bảng 4.48 : Entanpy của các dẫn xuất halogen và cacbocation ..................................... 85
Bảng 4.49 : Độ dài, năng lượng liên kết C – X của các dẫn xuất C4H9X ....................... 86


-x-

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 : Giản đồ năng lượng của phản ứng SN2 ........................................................... 5
Hình 2.2 : Giản đồ năng lượng SN1 ................................................................................ 15
Hình 2.3 : Tương tác obitan có thể xảy ra khi hai phân tử vỏ đóng tiến lại gần nhau. .. 20
Hình 2.4 : Tương tác ưu đãi giữa hai obitan có sự sai biệt năng lượng thấp.................. 21
Hình 3.1 : Mô hình Onsager (SCRF=Dipole) ................................................................ 26
Hình 3.2 : Mô hình PCM (SCRF=PCM) ........................................................................ 26
Hình 3.3 : Mô hình IPCM (SCRF=IPCM) ..................................................................... 27
Hình 3.4 : Mô hình SCI-PCM (SCRF=SCIPCM) .......................................................... 27
Hình 4.1 : Cấu trúc một số dẫn xuất halogen ................................................................. 35
Hình 4.2 : Cấu trúc tối ưu hóa của Br-, HO-, NH3 .......................................................... 36
Hình 4.3 : HOMO và LUMO của metyl clorua và isopropyl clorua. ............................. 37
Hình 4.4 : HOMO của hai tác nhân nucleophin HO- và HS-.......................................... 38
Hình 4.5 : Số thứ tự các nguyên tử trong C2H5Cl .......................................................... 39
Hình 4.6 : HOMO của etyl clorua và tác nhân Br- ......................................................... 39
Hình 4.7 : Cấu trúc chất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp và sản phẩm trong phản
ứng thế SN2 của C2H5Cl và Br- ....................................................................................... 40
Hình 4.8 : Mật độ điện tích trên phân tử C2H5Cl ........................................................... 41
Hình 4.9 : Mật độ điện tích của trạng thái chuyển tiếp trong phản ứng SN2 giữa
C2H5Cl và Br- .................................................................................................................. 42
Hình 4.10 : Kết quả IRC của trạng thái chuyển tiếp [Br….C2H5….Cl] ......................... 42

Hình 4.11 : Cấu trúc của các thành phần tính năng lượng liên kết ................................ 53
Hình 4.12 : Sự tương tác HOMO của HO- và HS- với LUMO của C2H5Cl ................. 56
Hình 4.13 : Trạng thái chuyển tiếp của phản ứng SN2 giữa CH3Cl và Br- trong dung
môi nước và trong pha khí. ............................................................................................. 57
Hình 4.14 : Đường phản ứng metyl clorua và Br- trong pha khí .................................... 61
Hình 4.15 : Đường phản ứng metyl clorua và Br- trong dung môi nước ....................... 61
Hình 4.16 : Cấu trúc của chất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp và cấu trúc trung gian
giai đoạn 1 của phản ứng SN1 giữa tert – butyl clorua và OH- ....................................... 63
Hình 4.17 : Mật độ điện tích trên phân tử tert – butyl clorua ......................................... 64
Hình 4.18 : Khảo sát trạng thái chuyển tiếp TS (1) ........................................................ 64
Hình 4.19 : Khảo sát trạng thái chuyển tiếp TS (2) ........................................................ 64
Hình 4.20 : Khảo sát trạng thái chuyển tiếp TS (3) ........................................................ 65
Hình 4.21 : Mật độ điện tích trên cacbocation tert – butyl. ............................................ 66
Hình 4.22 : Giản đồ thế năng mô tả tiên đề Hammond .................................................. 67
Hình 4.23 : Hai hướng tấn công của OH- vào cacbocation ............................................ 69
Hình 4.24 : Thứ tự các nguyên tử trong cacbocation ..................................................... 70
Hình 4.25 : Hướng tấn công của Br- vào LUMO của cacbocation sec – butyl và tert –
butyl ................................................................................................................................ 75
Hình 4.26 : Các dạng tồn tại của cation C3H5+ ............................................................... 77
Hình 4.27 : HOMO của HO-, HS- và LUMO của C4H9+ ................................................ 81


- xi -

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
o

o

A

Angstrom

Đơn vị đo chiều dài (1 A = 10-10m)

DFT

Density Functional Theory

Lý thuyết phiếm hàm mật độ

HF

Hartree – Fock

Phương pháp Hartree – Fock

HOMO Highest Occupied Molecular Orbital

Obitan phân tử đầy có mức năng
lượng cao nhất
Tọa độ phản ứng nội

IRC

Intrinsic Reaction Coordinate

LUMO

Lowest Unoccupied Molecular Orbital Obitan phân tử trống có mức

năng lượng thấp nhất

MO

Molecular Orbital

Obitan phân tử (Obitan phân tử)

Nu

Nucleophin

Tác nhân thân hạch

PCM

Polarizable Continuum Models

Mô hình liên tục phân cực

SCRF

Seft – Consident Reaction Field

Trường phản ứng tự hợp

TS

Transition State

Trạng thái chuyển tiếp

IS

Intermidiate Structure

Cấu trúc trung gian

GTO

Gaussian Type Orbitals

Bộ hàm kiểu Gauss

STO

Slater Type Orbitals

Bộ hàm kiểu Slater

ZPE

Zero Point Energy

Năng lượng điểm không

Hal

Halogen

Nhóm thế halogen


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Cơ chế phản ứng SN1 và SN2 đã được nghiên cứu nhiều trước đây. Đồng thời,
cũng có một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề này. Hơn nữa, sự
phát triển mạnh mẽ của khoa học hóa học cũng như việc áp dụng công nghệ thông tin
trong nghiên cứu khoa học và tính đa dạng của các phần mềm phục vụ trong việc tính
toán hóa học lượng tử như Gaussian, HyperChem, Mopac,….đã ảnh hưởng không nhỏ
đến các công trình nghiên cứu hiện nay.
Với mong muốn được hiểu biết sâu hơn về Hóa học Hữu cơ nói chung và cơ chế
phản ứng thế nucleophin trên dẫn xuất halogen nói riêng, nghiên cứu đã thực hiện các
tính toán cần thiết với sự hỗ trợ của Gaussian và GaussView để mô tả, giải thích và
chứng minh kết quả phù hợp với thực nghiệm trong đề tài mang tên: “ẢNH HƢỞNG
CỦA CẤU TRÚC ĐẾN HOẠT TÍNH HÓA HỌC CÁC DẪN XUẤT HALOGEN
TRONG PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN”
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc của chất nền và tác nhân nucleophin, dung
môi đến hoạt tính hóa học của các dẫn xuất halogen trong phản ứng thế nucleophin SN1
và SN2. Dựa trên cơ sở lượng tử hóa bằng phần mềm chuyên dụng. Phần mềm
GaussView 03 để xây dựng cấu trúc ban đầu, cacbocation, tác nhân nucleophin và phần
mềm Gaussian 03W để tính toán và xử lí các số liệu thu được. Lập bảng so sánh, thống
kê độ dài, năng lượng liên kết, mật độ điện tích, các thông số nhiệt động,… để mô tả,
giải thích và chứng minh thực nghiệm.
1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN
Nghiên cứu được thực hiện đối với các phản ứng thế nucleophin trên dẫn xuất
halogen. Trong đó bao gồm:
- Việc mô phỏng cấu trúc các phân tử bằng phần mềm GaussView và thực hiện

tính toán thông qua Gaussian.
- Nghiên cứu cấu trúc chất nền là các dẫn xuất halogen.
- Các gốc hiđrocacbon no, không no và các dẫn xuất halogen có vòng thơm.
- Tác nhân nucleophin (HO-, Br-), dung môi (H2O).
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của các phân tử halogen trong phản
ứng thế nucleophin, gồm:
- Cấu trúc chất nền là các dẫn xuất halogen.
- Cấu trúc tác nhân nucleophin (OH-, H2O, Br-) .
- Các yếu tố nhiệt động như năng lượng hoạt hóa, biến thiên entanpy, biến
thiên năng lượng tự do).
- Xác định năng lượng HOMO, LUMO.
- Tính mật độ điện tích trên các trung tâm phản ứng.

1


Xây dựng mô hình cấu trúc phân tử, ion, tối ưu hóa cấu trúc, tính toán và xử
lí kết quả trên phần mềm GaussView 03 và Gaussian 03.
1.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài này sẽ được ứng dụng trong việc rèn luyện và nâng kiến thức về cơ chế
phản ứng hóa học hữu cơ và một số kiến thức có liên quan. Ứng dụng vào việc nghiên
cứu kiến thức về hóa học hữu cơ trên cơ sở lượng tử hóa, một cách nhìn hiện đại về hóa
học. Đồng thời phát huy khả năng tự học và khả năng sử dụng công nghệ thông tin của
sinh viên trong việc học chuyên ngành Hóa trong trường đại học.
Nghiên cứu này sẽ cung cấp một hệ thống kiến thức nâng cao về cơ chế thế
nucleophin cho sinh viên ngành Hóa nói chung và sư phạm Hóa nói riêng, nhằm nâng
cao chất lượng học tập và nghiên cứu của sinh viên thông qua việc tiếp cận với kiến
thức hóa học một cách hiện đại. Kết quả của đề tài sẽ cung cấp một cơ sở kiến thức giúp
cho giáo viên trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi.

-

2


CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN
2.1.1 PHẢN ỨNG THẾ
Phản ứng thế (Substitution Reaction) là phản ứng mà trong đó có một hay một
nhóm nguyên tử trong phân tử được thay thế bằng một hay một nhóm nguyên tử khác.
(Nguyễn Hữu Đỉnh & Đỗ Đình Rãng, 2009)
Có các loại phản ứng thế sau:
- Phản ứng thế theo cơ chế gốc (SR)
- Phản ứng thế electrophin (SE)
- Phản ứng thế nucleophin (SN)
2.1.2 TÁC NHÂN NUCLEOPHIN
Các anion như halogen, cacbanion,…và những phân tử trung hòa có các electron
π như anken, aren…hoặc có các cặp electron tự do như: NH3, H2O, RNH2,…luôn có ái
lực cao với điện tích dương nên được gọi là các chất nucleophin. Khi chất nucleophin
đóng vai trò tác nhân phản ứng thì nó được gọi là tác nhân nucleophin. (Nguyễn Hữu
Đỉnh & Đỗ Đình Rãng, 2009)
Bảng 2.1 : Một số tác nhân nucleophin và sản phẩm thế thu đƣợc. (Thái Doãn
Tĩnh, 2001)
Loại tác nhân
nucleophin

Nu-

Nu:

H – Nu

Tác nhân nucleophin

Sản phẩm

HOROHSRSRCOOCNHC≡CNH2N3NO2NO3SCN
Cl , Br-, I(CH3)3N:
(CH3)3P:
H2O
RCOOH

Ancol ROH
Ete ROR
Thioancol RSH
Thioete RSR
Este RCOOR
Nitrin RCN
Ankylaxetilen RC≡CH
Amin RNH2
Ankyl axit RN3
Nitroankan RNO2
Ankyl nitrat RNO3
Ankyl thioxyanat RSCN
Ankyl halogenua
(CH3)3N+RXRP+(CH3)3XAncol ROH
Este RCOOR

3

ROH
NH3

Ete ROR
Amin RNH2

2.1.3 PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN
Phản ứng thế nucleophin SN xảy ra bằng sự tấn công của tác nhân nucleophin
(Nu) vào trung tâm thiếu electron của chất nền và sự phân cắt nhóm ra đi cùng cặp
electron liên kết. (Thái Doãn Tĩnh, 2008) Dựa vào cơ chế phản ứng, trong các trường
hợp giới hạn được định nghĩa bởi Hughes và Ingold có hai loại cơ bản là phản ứng thế
nucleophin đơn phân tử (SN1, Unimolecular Nucleophilic Substitution) và phản ứng thế
nucleophin lưỡng phân tử (SN2, Bimolecular Nucleophilic Substitution). (Francis, k.n)
Dựa vào mối quan hệ giữa chất phản ứng và sản phẩm trong phản ứng thế nucleophin,
có các loại phản ứng thế nucleophin sau:
Chất ban đầu
Tác nhân Nucleophin
Sản phẩm
Nu
R – Nu+ XNu:
R – Nu++ XR–X
H – Nu
R – Nu+ HX
Nu
R – Nu + X:
R – X+
Nu:
R – Nu++ X:
Theo định nghĩa trên, phản ứng thế nguyên tử halogen của dẫn xuất halogen bằng

các nhóm thế khác là phản ứng thế nucleophin SN. Phản ứng thế các nguyên tử halogen
trong dẫn xuất halogen có thể xảy ra theo cơ chế thế nucleophin đơn phân tử (SN1) hay
lưỡng phân tử (SN2), phụ thuộc vào cấu tạo gốc hiđrocacbon, tác nhân nucleophin, dung
môi, nhiệt độ…
2.2 PHẢN ÚNG THẾ NUCLEOPHIN ĐỐI VỚI DẪN XUẤT HALOGEN
2.2.1 PHẢN ỨNG THẾ SN2

Cơ chế phản ứng
Cơ chế của phản ứng thế SN2 là quá trình đồng bộ, nhóm ra đi Hal và tác nhân
nucleophin đi vào đồng thời tạo nên phức hoạt hóa lưỡng phân tử. (Thái Doãn Tĩnh,
2001)
Nu-

+

C

X

Nu

C

X

Nu

C

+

X-

Trong tiến trình phản ứng, khi Nu tấn công vào RHal tạo nên trạng thái chuyển
tiếp thì liên kết C – Hal bắt đầu dài ra và C trung tâm bắt đầu chuyển từ dạng lai hóa sp3
sang sp2 (từ dạng tứ diện chuyển sang dạng tam giác phẳng).
Như vậy, ở trạng thái chuyển tiếp, nguyên tử cacbon trung tâm ở trạng thái lai hóa
2
sp và có một obitan p tự do, liên kết C – Nu đang dần dần được hình thành và liên kết
C – Hal đang từ từ đứt ra, hai liên kết này đều là hai liên kết dở dang và yếu.
Sau đó, phức hoạt hóa trên dần chuyển thành sản phẩm, liên kết C – Nu hình
thành và bền vững, liên kết C – Hal bị phá vỡ, C trung tâm trở lại trạng thái lai hóa sp3.
Sự biến thiên năng lượng trong quá trình phản ứng được thể hiện trong hình 2.1:

4


E

Nu

C X

Trạng thái chuyển tiếp

Ea

Nu- +

C

∆H

X
Nu

C + X-

Sản phẩm

Tác nhân phản ứng
Tiến trình phản ứng
Hình 2.1 : Giản đồ năng lƣợng của phản ứng SN2 (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Ví dụ:
CH3Cl + IH

H
-

I

+ H C

CH3I + Cl-

Cl

H

I

C

H
Cl

I

H

C

+

Cl-

H

H H

Động học phản ứng
Trong phản ứng SN2, giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn hình thành
trạng thái chuyển tiếp lưỡng phân tử. Trong đó, tác nhân phản ứng Nu và RHal đều
tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng nên bậc động học của phản ứng là 2.
E

a
d[R Hal]
d[Nu] d[R Nu]
k[Nu][R Hal] Trong đó, k Ae RT

dt
dt
dt
A: Thừa số trước mũ
Ea: Năng lượng hoạt hóa
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ (K)
Trong trường hợp tác nhân nucleophin là dung môi, nồng độ của nó rất lớn và hầu
như không đổi trong quá trình phản ứng. Do đó, tốc độ phản ứng lưỡng phân tử chỉ phụ
thuộc nồng độ [RHal] và phản ứng có bậc động học là 1.
v = k[RHal]
Ví dụ: Thủy phân CH3I trong nước – Phản ứng dung môi phân.

v

CH3I H2O

5

CH3OH HI


H

H
O
H

+H

H

H
C

I

O

H

H

C

I

- I-

H
+

O C
H

H

H

H

H

H

OH2
H

H
O C
H

+ H3O+
H

Phản ứng loại này thường gọi là phản ứng giả bậc nhất.

Hóa học lập thể
Trong phản ứng SN2 của dẫn xuất halogen, khuynh hướng ra đi của Hal xảy ra
cùng lúc với việc đến của tác nhân nucleophin. Cacbon trung tâm lai hóa sp3, mỗi AO
lai hóa sp3 có 2 đầu dạng hình số 8 không cân đối (1 đầu lớn và 1 đầu nhỏ tạo với nhau
một góc 1800).
Đầu lớn hơn đang liên kết với nhóm ra đi Hal. Nhóm này sẽ hạn chế sự tấn công
cùng phía của tác nhân nucleophin. Do vậy, để tạo liên kết C – Nu, bắt buộc Nu phải tấn
công vào phía đối diện với nhóm ra đi Hal. Sự tấn công này được gọi là sự tấn công từ
phía sau (Backside Actack).
X
Nu

C

Y Z
Mặt khác, theo thuyết MO, Nu không thể tấn công trực diện hay tấn công bên vào
liên kết C – Hal vì phản ứng diễn ra giữa HOMO của Nu và LUMO của C – Hal. Do đó,
Nu phải tấn công về phía đối diện với Hal làm sản phẩm sinh ra quay cấu hình. (Thái
Doãn Tĩnh, 2001)
Trong phản ứng cân bằng, nếu nhóm ra đi và tác nhân giống nhau thì phản ứng
thu được sản phẩm raxemic hóa. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Ví dụ: Đun nóng lâu 2 – iotbutan trong axeton có mặt I- sẽ thu được một phần sản
phẩm có cấu hình nghịch đảo.
H
H
H
Axeton, I+
I C CH
H 3C C I
H 3C C I
3
t0
CH3CH2
CH2CH3
CH3CH2
(1:1)
Trong phản ứng không cân bằng, nếu tác nhân nucleophin và nhóm ra đi khác
nhau thì phản ứng thu được sản phẩm có cấu hình nghịch đảo hoàn toàn. Nói cách khác,
sẽ xảy ra sự quay cấu hình. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Ví dụ: 2 – clobutan phản ứng với I-trong aceton

6

H
-

I

H3C C Cl
CH2CH3

+

H

Axeton

I

C CH
3
CH2CH3

+

Cl-

Nếu C trung tâm là C bất đối xứng thì trạng thái chuyển tiếp là trung tâm chiral
không trùng ảnh vật. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)

SN2

X C

X C Nu

C Nu

Chiral không trùng ảnh vật
Trường hợp gốc R có nhóm chức hay nguyên tử có tính nucleophin lớn như O,
N, S ở cách nhóm ra đi ít nhất 2 nguyên tử C thì có thể xảy ra phản ứng thế nội phân tử
của nhóm ra đi ở giai đoạn đầu trước khi Nu tấn công. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
CH2

R

Z CH2CH2

Cl

R

Z+

+
CH2

CH2
R

Z+

Cl-

+

Nu-

R

Z CH2CH2

Nu

CH2
Giai đoạn đầu là sự hình thành hợp chất vòng theo phản ứng SN2 nội phân tử.
Cacbon trung tâm quay cấu hình. Sự hình thành vòng tuân theo quy tắc bền của vòng
(có thể 3, 4, 5, 6 cạnh).
Giai đoạn sau là phản ứng SN2 do sự tấn công của tác nhân nucleophin vào vòng.
Đồng thời cũng xảy ra sự quay cấu hình để hình thành sản phẩm.
Vì vậy, phản ứng có 2 lần quay cấu hình làm sảm phẩm thu được có sự bảo toàn
cấu hình so với chất ban đầu.
R1
H
R2

C

L

SN2
Nu-

Nu

C

R1
H
R2

SN2
X-

R1
H
R2

C X

Phản ứng này có sự ảnh hưởng do hiệu ứng của nhóm bên cạnh nên gọi là hiệu
ứng anchime, sản phẩm cuối cùng được bảo toàn cấu hình.
Như vậy, từ sự tương quan giữa nhóm ra đi Hal và tác nhân nucleophin cho phép
lựa chọn trong quá trình tổng hợp các chất hữu cơ. Tác nhân yếu có thể thực hiện phản
ứng SN2 được với chất ban đầu có nhóm dễ ra đi. Ngược lại, tác nhân mạnh với chất ban
đầu có nhóm khó ra đi. Sự hình thành sản phẩm trong phản ứng SN2 được định hướng
một cách rõ ràng do nhóm ra đi và tác nhân nucleophin vào ở cùng 1 vị trí cacbon.

Ảnh hưởng của cấu trúc đến hoạt tính hóa học của các dẫn xuất
halogen trong phản ứng thế SN2

7

Ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon
Trong cơ chế SN2, tác nhân nucleophin tấn công vào cacbon no có nhóm halogen
và đẩy Hal ra đi. Ở trạng thái chuyển tiếp, nguyên tử cacbon liên kết với 5 nhóm
nguyên tử. Trạng thái đó không thuận lợi về mặt không gian. Nếu như các nhóm nguyên
tử xung quanh cacbon có thể tích càng lớn thì tác nhân nucleophin càng khó tấn công
để liên kết được với cacbon. Vì vậy, ưu đãi về mặt cấu trúc không gian của các dẫn
xuất halogen rất quan trọng trong phản ứng thế SN2.
Sự phân nhánh ở Cα
Phản ứng thế SN2 rất nhạy cảm với chướng ngại không gian xung quanh C trung
tâm. Do đó, sẽ dẫn đến sự ảnh hưởng của phân nhánh ở C – α đối với phản ứng. Khi RX
là dẫn xuất halogen (Ankyl Halogenua), phản ứng SN2 sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của R:
Ankyl bậc 1: Phản ứng ưu tiên xảy ra theo cơ chế SN2
Ankyl bậc 2: Phản ứng có thể xảy ra theo SN1 và SN2
Ankyl bậc 3: Phản ứng ưu tiên xảy ra theo cơ chế SN1
Dẫn xuất RX
30
20
10
CH3X
Giảm sự chắn không gian : SN2 tăng
Do án ngữ không gian nên tác nhân nucleophin sẽ có những tấn công sau:

H

H
C

Nu

Cl

Nu

HH

Cl

C

Cl

CH3
C

CH3

C
CH3

CH3
Nu

H

Nu

Cl

H

CH3
CH3

Khi có nhiều nhóm thế đính vào C – α gây chướng ngại không gian làm cản trở
phản ứng SN2 gọi là hiệu ứng của sự phân nhánh C – α. Tốc độ tương đối của các bậc
gốc R [24]:

V

CH3–

CH3CH2–

(CH3)2CH–

(CH3)3C–

1

0,03

0,013

3.10-6

Sự phân nhánh ở C

8

Nếu sự chướng ngại không gian xảy ra càng nhiều ở C – β thì cũng ảnh hưởng
đến phản ứng thế SN2 dù tất cả các ankyl halogenua đang xét trong trường hợp này đều
bậc một. Tốc độ tương đối do hiệu ứng ở C – β (Thái Doãn Tĩnh, 2001) :

V

CH3CH2–

CH3CH2CH2–

(CH3)2CHCH2–

(CH3)3CCH2–

1

0,4

0,03

10-5

Mặt khác, do có sự chướng ngại không gian nên n – propyl halogenua và isobutyl
phải phản ứng ở cấu dạng thuận lợi hơn hay có năng lượng cao hơn:
Đối với n – propyl halogenua :

H H
CH3

CH3

H

C

H C
C X

Nu

C X

Nu

HH

HH

Không ưu đãi phản ứng SN2

Ưu đãi phản ứng SN2

Đối với isobutyl halogenua :

CH3
H
CH3

C

H C
C X

Nu

CH3

CH3

C X

Nu

HH

H H

Không ưu đãi phản ứng SN2
Ưu đãi phản ứng SN2
Riêng neopentyl thì không phản ứng theo kiểu SN2 do chướng ngại quá lớn (chỉ
phản ứng ở điều kiện cao). Đồng thời, cũng không có cấu dạng nào ưu đãi cho phản ứng
SN2 xảy ra do không có nhóm metyl chắn ở xa trung tâm.

CH3

CH3

CH3

C
C X

Nu

H H
Không ưu đãi phản ứng SN2
R là gốc Allyl hay Benzyl

9


Bên cạnh những ảnh hưởng về không gian, phản ứng thế nucleophin của dẫn xuất
halogen cũng chịu sự ảnh hưởng của việc tăng mật độ electron. Nguyên nhân là do sự
chuyển trạng thái lai hóa từ sp3 sang sp2 của C bị tấn công. Sự ảnh hường này làm tăng
khả năng liên kết của nguyên tử C bị tấn công. Những gốc hiđrocacbon điển hình trong
trường hợp này là alkenyl, aryl.
Khi gốc R là allyl hay benzyl, phản ứng SN2 xảy ra rất nhanh và nhanh hơn cả
ankyl halogenua do phức hoạt hóa tạo thành bền. Phản ứng SN2 của allyl và benzyl đòi
hỏi năng lượng hoạt hóa thấp do có sự tương tác của obitan π với obitan p của C trung
tâm đang liên kết với Hal và Nu.
Khi việc chuyển trạng thái lai hóa trở nên thuận lợi, hệ thống các electron π của
các gốc trên xếp song song với AO 2pz của nguyên tử C trung tâm. Vì vậy, AO này sẽ
trở thành một bộ phận của hệ thống π bất định xứ. Kết quả làm cho năng lượng hoạt hóa
giảm và tốc độ phản ứng SN2 tăng.

X

X

c

a

c

a

Nu

b

d

d

b

Nu

Tốc độ so sánh tương đối của các gốc trong phản ứng SN2 [23] :

V

MeCH2–

VinylCH2–

PhCH2–

1

40

120

R là gốc xicloankyl
Trong trường hợp gốc R là xicloankyl:
Xiclopropyl halogenua không phản ứng theo cơ chế SN2 vì ở trạng thái chuyển
tiếp, C trung tâm lai hóa sp2 làm tăng sức căng của vòng.

H

C

Nu
Tăng sức căng góc

X

Trạng thái chuyển tiếp của xiclopropyl

10


Xiclobutyl halogenua chịu sự ảnh hưởng về sức căng ít hơn nên có thể xảy ra theo
cơ chế SN2 nhưng khá chậm.
Xiclopentyl halogenua có phản ứng theo cơ chế SN2 tương tự như các gốc
hiđrocacbon mạch hở.
Xiclohexyl halogenua phản ứng chậm hơn một ít do hiệu ứng không gian.

H

X
H

H
Nu

Trạng thái chuyển tiếp của xiclohexyl
Xiclohexyl halogenua phản ứng chậm hơn do hiệu ứng không gian của hai H ở vị
trí axial ở phía tấn công sau của tác nhân nucleophin đối với nhóm ra đi X. Vì vậy,
xiclohexyl thường cho phản ứng tách hơn là phản ứng thế.
Các xicloankyl còn lại phản ứng theo SN2 tương tự như các gốc hiđrocacbon mạch
hở.
Tốc độ so sánh tương đối của một số gốc hidrocacbon(Thái Doãn Tĩnh, 2001) :

V

V

Isopropyl

Xiclopropyl

Xiclobutyl

Xiclopentyl

1

10-4

0,008

1,6

Xiclohexyl

Xicloheptyl

Xiclooctyl

0,01

1

0,2

Ảnh hưởng của nhóm ra đi
Trong phản ứng thế nucleophin, phản ứng tùy thuộc vào bản chất của nhóm ra đi.
Sự ra đi khó hay dễ của nhóm ra đi có mối quan hệ chặt chẽ với tính bazơ. Nhóm ra đi
càng dễ thì tốc độ phản ứng SN2 càng cao.
- Nhóm ra đi có tính bazơ mạnh nhất sẽ là nhóm ra đi khó nhất.
- Ngược lại, nhóm ra đi có tính bazơ yếu sẽ là nhóm ra đi dễ.
Đối với các dẫn xuất halogen:
- Các ankyl clorua, bromua, iodua đều dễ phản ứng SN2.
- Dẫn xuất florua thực tế không tham gia phản ứng SN2.
Nguyên nhân là do tính axit HF < HCl < HBr < HI nên tính bazơ I-< Br-< Cl-< F- làm
khả năng phản ứng của các dẫn xuất giảm dần từ RI > RBr > RCl > RF.

Tổng quát, nhóm ra đi dễ nếu nhóm đó là bazơ yếu hay là anion của axit mạnh. Ta
có chiều biến thiên tăng dần lực bazơ sau:

11


Chiều lực bazơ tăng dần[24]
Ví dụ: Phản ứng xác định nhóm ra đi dễ hơn
BrCH2CH2CH2Cl + I- aceton
ICH2CH2CH2Cl + ClPhản ứng trên chứng tỏ Br là nhóm ra đi dễ hơn so với Cl do Br- là bazơ yếu hơn
Cl-. Vì vậy, có thể nói, chất ban đầu có nhiều trung tâm phản ứng, vị trí cacbon đính với
nhóm ra đi dễ nhất sẽ dễ dàng phản ứng hơn.

V

I-

Br-

Cl-

F-

3

1

0,02

10-4

Khả năng phản ứng tƣơng đối của các halogenua[24]

Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin
Phản ứng nucleophin lưỡng phân tử SN2 xảy ra với một giai đoạn qua trạng thái
chuyển tiếp. Tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ của dẫn xuất halogen và tác nhân
nucleophin. Do đó, tác nhân nucleophin mạnh sẽ thuận lợi cho cơ chế SN2.
Tính nucleophin là khả năng cho cặp electron tham gia vào liên kết. Tác nhân
nucleophin là chất cho cặp electron khi nó tấn công vào trung tâm thiếu electron.
Lực nucleophin biến đổi theo một số quy luật cơ bản sau đây(Thái Doãn Tĩnh,
2001):
- Electron không liên kết π có tính nucleophin cao hơn electron π và cao hơn
electron σ.
Electron n > Electron π > Electron σ
- Anion có tính nucleophin cao hơn phân tử trung hòa hay axit liên hợp của nó.
HS-> H2S
RO-> ROH
Cl-> HCl
- Anion hay nucleophin có nguyên tố có cặp electron n bên cạnh (Hiệu ứng σ) là
tác nhân nucleophin mạnh hơn.
HOO-> HO- Tính nucleophin tăng dần từ trên xuống trong một nhóm nguyên tố.

I

Br Cl F
RSH > ROH
RS-> RO-

12

Tính nucleohphile tăng dần[24]
Mặt khác, tính nucleophin lại phụ thuộc vào bản chất của dung môi:
- Trong dung môi proton(Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Trong các anion lớn, sự phân bố điện tích âm trên một diện tích lớn, anion ổn định
không cần dung môi. Đối với các anion nhỏ, điện tích phân bố trên diện tích nhỏ, khi
solvat hóa bằng liên kết hiđro, điện tích được phân bố trên điện tích lớn hơn của anion
solvat. Do đó, dung môi làm ổn định anion hơn.
Dung môi proton làm giảm tính nucleophin của các anion có kích thước không
lớn do trước khi tham gia phản ứng, anion solvat cần một lượng năng lượng để giải
phóng các phân tử dung môi lớn hơn các anion kích thước lớn.
Vì thế, trong dung môi proton, các anion có kích thước lớn có tính nucleophin
mạnh hơn.

I Br Cl
- Trong dung môi aproton(Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Ngược lại, trong dung môi aproton không có hiđro có khả năng solvat hóa bằng
liên kết hiđro, anion được solvat hóa nhỏ hơn trong dung môi proton. Do đó, trong dung
môi aproton phân cực, anion kích thước không lớn sẽ giàu năng lượng hơn nên tính
nucleophin cao hơn và khả năng phản ứng cũng cao hơn.

Cl

Br

I

Ảnh hưởng của dung môi
Sự ảnh hưởng của dung môi có tác động đáng kể đến phản ứng thế SN2 của dẫn
xuất halogen. Có thể chia thành 2 trường hợp để xét sự ảnh hưởng này

Tác nhân nucleophin mang điện tích (Nu-) (Hoàng Trọng Yễm, 1999)
Trong phản ứng thủy phân RX bằng kiềm, tác nhân nucleophin là HO- mang điện
tích âm
H
H

HO-

CH2

X

HO

C
R

R

X

HO CH2 + XR

Dung môi phân cực solvat hóa ion nucleophin HO- và trạng thái chuyển tiếp. Mặc
dù điện tích âm ở tác nhân nucleophin và trạng thái chuyển tiếp là như nhau (

1 ), nhưng điện tích âm ở trạng thái chuyển tiếp bị phân tán rộng hơn. Do đó,
sự solvat hóa trạng thái chuyển tiếp xảy ra yếu hơn so với tác nhân HO- , nghĩa là sự

13

solvat hóa làm bền tác nhân HO- hơn trạng thái chuyển tiếp, tức là làm tăng năng lượng
hoạt hóa và giảm tốc độ phản ứng SN2.
Tác nhân nucleophin là phân tử trung hòa (Hoàng Trọng Yễm, 1999)
H

H
CH2

R3N

R3N

X

C

X

R

R

Trạng thái chuyển tiếp có mang điện tích sẽ được solvat hóa mạnh hơn tác nhân
nucleophin. Sự solvat hóa này làm bền trạng thái chuyển tiếp, giảm năng lượng hoạt
hóa, đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng.
Bảng sau sẽ mô tả một cách khái quát sự ảnh hưởng của dung môi đến phản ứng SN2
(Hoàng Trọng Yễm, 1999).
Sự phân cực của

dung môi

Tốc độ phản ứng SN2

 Mang điện tích Nu-

↑

↓

 Không mang điện tích Nu

↑

↑

Tác nhân nucleophin

Nu- +

E

C

X

Nu

C X

Nu

C + X-

Trạng thái chuyển tiếp

Tọa độ phản ứng
Các dung môi thường được dùng trong nghiên cứu cơ chế SN2 là những dung môi
aproton lưỡng cực có độ thẩm điện môi cao, không có khả năng tạo liên kết hiđro như
các dung môi truyền thống: etanol, đioxan, aceton,…nhưng hiện nay có giá trị hơn là

14


đimetylfomamit
(DMFA),
đimetylsunfoxit
(DMSO),
hexametylphotphotriamit (HMPT). (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
2.2.2 PHẢN ỨNG THẾ SN1

sunfolan,

Cơ chế phản ứng
Cơ chế SN1 gồm 2 giai đoạn :
Giai đoạn 1: Phân li dẫn xuất halogen R – X thành cacbocation R+ và anion X-..
Giai đoạn này xảy ra chậm và là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng.
k1

R X

k

R

X

1

Giai đoạn 2: Kết hợp cacbocation R+ với tác nhân nucleophin tạo sản phẩm. Giai
đoạn này xảy ra nhanh.
R

Nu

k2

C

R Nu

X

TTCT 1

E

C

Nu

TTCT 2
Etổ hợp ion
Eion hóa

1

Nu +

2

C X

C Nu

Tiến trình phản ứng
Hình 2.2: Giản đồ năng lƣợng SN1(Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Giai đoạn 1 là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng, giai đoạn hình thành
cacbocation bền. Giai đoạn này phụ thuộc vào khả năng phân li của C – X và tính bền
của cacbocation hay năng lượng hoạt hóa của nó. Liên kết C – X trong phân tử R – X là
liên kết cộng hóa trị phân cực, nó không tự phân li thành R+ và X- mà cần có tác dụng
của xúc tác hoặc dung môi phân cực. Bản chất Nu và nồng độ [Nu] không ảnh hưởng
đến tốc độ phản ứng vì tham gia phản ứng ở giai đoạn sau không nằm trong phương
trình tốc độ. Do đó phản ứng là bậc một và cũng là đơn phân tử.

Động học
15


Tốc độ phản ứng được xác định bằng giai đoạn chậm – giai đoạn 1. Ở giai đoạn

này chỉ có R – X tham gia phản ứng. Tốc độ của phản ứng được tính theo biểu thức:
1
v = k1[RX].
k [X- ]
1+ -1
k 2 [RNu]
Vì giai đoạn 2 xảy ra rất nhanh và là tương tác axit – bazơ nên k2[RNu] lớn hơn
k-1[X-] nhiều, giá trị

k -1[X- ]
rất nhỏ và phương trình tốc độ có dạng:
k 2 [RNu]
v = k1[RX]

Hóa học lập thể
Phản ứng SN1 xảy ra chủ yếu với sự raxemic hóa do cấu trúc của cacbocation có
cấu trúc phẳng tạo nên khả năng tấn công vào trung tâm C+ở hai phía là gần như nhau.
Bởi vì nguyên tử cacbon trung tâm mất nhóm ra đi trước khi kết hợp với tác nhân
nucleophin vì vậy xung quanh nguyên tử cacbon này chỉ có 3 liên kết khi ở trạng thái
cacbocation. Theo mô hình lực đẩy VSEPR, 3 liên kết này đòi hỏi cacbocation phải ở
dạng phẳng với nguyên tử C lai hóa sp2 nằm ở trung tâm. Cấu trúc này cho phép sự tấn
công của tác nhân nucleophin về cả hai phía của nguyên tử cacbon.
X
+

C
Y

Z

Nu

Do đó, nếu chất phản ứng ban đầu có tính quang hoạt thì sản phẩm thu được sau
phản ứng sẽ là biến thể raxemic.
R3
A
R3
2

R
R1

+

3

R

H
- H2O

C O
H

A

C
R1

B

C
R2

Br

R2

R3

R1
B

R2
R1

C

Sản phẩm
raxemic
hóa

Br

Cacbocation có tính hình học phẳng với năng lượng cực tiểu do có sự phân bố các
nhóm thế thích hợp nhất đối với mặt phẳng của Csp2 .
Nếu như khả năng tấn công của Nu về 2 phía giống nhau thì thu được sản phẩm
raxemic hóa với độ tinh khiết quang học 50%. Nhưng thường quan sát được nhiều phản
ứng có độ tinh khiết quang học thấp hơn nghĩa là vẫn có một số sản phẩm quay cấu
hình. Điều đó có liên quan tới khả năng đi ra nhanh hay chậm của ion X-. Nếu anion X-

16


đi ra chậm sẽ cản trở sự tấn công vào phía đó của nucleophin, nghĩa là có mối liên quan
giữa tốc độ tấn công của nucleophin với khả năng đi ra của anion X-.
Quá trình phân li C – X xảy ra như sau (Thái Doãn Tĩnh, 2001):
R X

R X

R

X

R

X

cặp ion ion solvate
ion tự do
Ngoài ra cacbocation còn có khả năng loại hiđro để thành anken, thường là quá
trình E1 và đặc trưng cho những cacbocation bậc cao, nhất là bậc ba. Do đó phản ứng
SN1 luôn kèm theo một lượng sản phẩm anken.

Ảnh hưởng của cấu trúc đến hoạt tính hóa học dẫn xuất halogen
trong phản ứng thế SN1
Ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon
Cấu tạo gốc hiđrocacbon có ảnh hưởng quan trọng nhất đến cơ chế phản ứng thế
nucleophin. Bậc của gốc R trong RX càng cao, khả năng phản ứng SN1 càng tăng.

Dẫn xuất RX
30
20
10
CH3X
SN1 tăng
Entanpy phân li ion của R – X để hình thành cacbocation giảm khi chuyển từ dẫn
xuất bậc nhất tới bậc ba, tương ứng với tính bền của cacbocation tăng từ bậc nhất tới
bậc ba.(Thái Doãn Tĩnh, 2001)
R=

CH3CH2–

CH3–

∆H0
(Kcal/mol)

229

190

CH3CH2CH2– CH3CH2CH2CH2–
193

193

(CH3)2CH–

(CH3)3C–

168

153

Cacbocation có cấu hình phẳng, có obitan trống nằm thẳng góc với mặt phẳng của
các liên kết . Cacbocation càng bền khi điện tích dương của cacbocation được giải
tỏa. Cacbocation bền khi được ổn định bằng hiệu ứng +I hay +H, còn hiệu ứng –I làm
giảm tính bền.
R 3C+ > R 2CH+ > RCH2+ > CH3+
CH3+ > ClCH2+ > Cl2CH+ > Cl3C+
Csp3

C+

Csp2

C+

Csp C+

Hiệu ứng siêu liên hợp H có ảnh hưởng lớn đến tính bền của cacbocation do có
tương tác σC – Hvới obitan p trống nên điện tích được giải tỏa lớn.

H
+

H
H
H

C

C
H

Siêu liên hợp σ - p

17


Khả năng phân li của R – X bậc cao không chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng electron
mà còn phụ thuộc vào sự giảm sức căng lập thể khi chuyển từ chất đầu – C tứ diện, góc
hóa trị 109,50 sang cacbocation phẳng – C lai hóa sp2, góc 1200 cũng là yếu tố thuận lợi
cho phản ứng.
Ngoài ra, cacbocation được giải tỏa mạnh bởi hiệu ứng liên hợp hay cộng hưởng
như trong allyl và benzyl halogenua.
(Cp - Cp)

(Csp2 - Csp2)

H
C

H

H

C

C

H

Csp2 - H1s

H

Ảnh hưởng của sự chuyển vị cacbocation
Một cacbocation thường có xu hướng sắp xếp lại cấu trúc sao cho bền nhất. Vì
cacbocation là tiểu phân có năng lượng rất cao và các cacbocation bậc khác nhau cũng
khác nhau lớn về nội năng nên cacbocation sẽ có xu hướng chuyển vị từ bậc thấp lên
bậc cao. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
Phản ứng chuyển vị đòi hỏi phải đáp ứng lập thể electron. Nói cách khác, obitan
của liên kết C – H phải song song với obitan p trống của C mới có tương tác cực đại:
H
+

H3C
H3C

H

H

H3C

CH3

+

H
CH3

H3C

Cacbocation bậc 2
Cacbocation bậc 3
Các nhóm có cấu trúc obitan song song với obitan p trống của cacbocation nhưng
theo khuynh hướng hình thành cacbocation bền hơn, nghĩa là có năng lượng hoạt hóa
thấp hơn:
CH3

CH3

+

C CH2

CH3

CH3

+

C CH2

CH3

CH3

Đây gọi là sự chuyển vị metyl từ cacbocation bậc 2 lên bậc 3.

Ảnh hưởng của nhóm ra đi
Phản ứng thế SN1 chịu sự ảnh hưởng của nhóm ra đi tương tự như phản ứng thế
lưỡng phân tử SN2 : nhóm ra đi tương ứng với tính axit cao sẽ là nhóm ra đi dễ trong
phản ứng thế SN1. Xét phản ứng sau:
(CH3)2CHX + C2H5OH → (CH3)2CHOHC2H5 + HX
X
C6H5SO3I
Br
Cl

18


vtd

76,3

-

1,0

0,00131

Tốc độ tƣơng đối của X trong phản ứng SN1(Thái Doãn Tĩnh, 2001)

Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin
Nucleophin không ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng SN1 nhưng ở giai đoạn sau, tuy

là nhanh, cacbocation hình thành có thể tương tác với các bazơ có trong hỗn hợp phản
ứng. Ở đây phản ứng xảy ra theo tính bazơ của nucleophin có trong dung dịch. (Thái
Doãn Tĩnh, 2001)
Xét phản ứng giữa tert – butyl bromua và etanol 80% ở 250C: cacbocation có thể
tương tác với các nucleophin trong dung dịch: C2H5OH, H2O. Ngoài ra, còn có xu
hướng xày ra phản ứng tách HX tạo anken. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)

Ảnh hưởng của dung môi
Phản ứng của SN1 có hình thành cation và anion nên những dung môi làm ổn định
cacbocation và anion làm tăng tốc độ phản ứng SN1. Thường dùng nước, hỗn hợp nước
với axit hữu cơ, như axit fomic. Nói chung, dung môi có độ thẩm điện môi cao thuận lợi
cho SN1. (Thái Doãn Tĩnh, 2001)
2.3 KHẢO SÁT PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN CỦA DẪN XUẤT HALOGEN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP VÂN ĐẠO BIÊN.
2.3.1 GIỚI THIỆU
Thuyết obitan biên phân tử là một lý thuyết áp dụng của lý thuyết obitan phân tử
nhằm mô tả tương tác HOMO – LUMO.
Lý thuyết obitan biên (electron biên) lúc đầu được đưa ra nhằm giải thích sự khác
nhau về hoạt tính của các vị trí khác nhau trong một hiđrocacbon thơm khi bị tác kích
thân electron. Lý thuyết này dựa trên một nhận xét trực giác là phản ứng sẽ xảy ra ở vị
trí có mật độ electron lớn nhất (hệ số obitan có giá trị tuyệt đối lớn nhất) trong obitan
đầy cao nhất.
Lý thuyết này được tiếp tục phát triển bởi K.FuKui. Ông độc lập nghiên cứu các
tương tác thông qua các quan sát obitan biên của phân tử, và các tác động cụ thể của
Obitan phân tử liên kết có mức năng lượng cao nhất (HOMO) và Obitan phân tử phản
liên kết có mức năng lượng thấp nhất (LUMO) lên cơ chế phản ứng, từ đó dẫn tới tên
gọi sau này của học thuyết là Thuyết Obitan biên phân tử - Thuyết FMO.Những đóng
góp to lớn này đã đem đến cho K.FuKui – Đại Học Kyoto, Nhật Bản giải Nobel Hóa
Học năm 1982. [29]
2.3.2 CÁC VÂN ĐẠO BIÊN

Khi hai phân tử A và B có cấu tạo vỏ đóng (Closed Shell) tiếp cận nhau, có thể
xảy ra nhiều tương tác obitan giữa các obitan trên A và các obitan trên B được mô tả
qua hình 2.3:

19