Các bài thực hành tổng hợp hóa học hữu cơ các loại phản ứng thế, phản ứng oxy hóa phản ứng khử

NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

CÁC BÀI THỰC HÀNH TỔNG HỢP

HOÁ HỌC HỮU CƠ
CÁC LOẠI PHẢN ỨNG THẾ
PHẢN ỨNG OXY HOÁ - PHẢN ỨNG KHỬ

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI



MỤC LỤC

Chương 6
PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIL BÉO: ĐIỀU CHẾ CÁC
ALKYL HALIDE

Trang
1

6.1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
6.2. PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIL
6.3. SỰ CẠNH TRANH GIỮA SỰ THẾ VÀ SỰ TÁCH
6.4. ĐIỀU CHẾ 1-BROMOBUTAN: PHẢN ỨNG THẾ SN2
6.5. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. TỔNG HỢP 1-BROMOBUTAN TỪ BUTAN-1-OL
THÍ NGHIỆM 2. TỔNG HỢP 1-BROMOPROPAN TỪ PROPAN-1-OL
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ
6.6. ĐIỀU CHẾ 2-CLORO-2-METHYLBUTAN: PHẢN ỨNG SN1
6.7. CÁC BÀI THỰC HÀNH

THÍ NGHIỆM 3. TỔNG HỢP 2-CHLORO-2-METHYLBUTAN TỪ 2METHYLBUTAN-2-OL
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

1
2
4
5
7
7
11
14
16
17
17

Chương 7
SỰ THẾ ELECTROPHIL THƠM: PHẢN ỨNG NITRO HOÁ

23

7.1. PHẢN ỨNG NITRO HOÁ BROMOBENZEN
7.2. PHẢN ỨNG NITRO HOÁ METHYL BENZOAT
7.3. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. PHẢN ỨNG NITRO HOÁ BENZEN
THÍ NGHIỆM 2. NITRO HOÁ METHYL BENZOAT
THÍ NGHIỆM 3. NITRO HOÁ ACID SALICYLIC BẰNG CALCI NITRAT
TRONG ACID ACETIC
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

23

26
27
27
31
34

Chương 8
SỰ THẾ ELECTROPHIL THƠM: PHẢN ỨNG SULFO HOÁ

40

10.1. PHẢN ỨNG SULFO HOÁ
10.2. TỔNG HỢP ACID SULFANILIC
10.3. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. TỔNG HỢP ACID SULFANILIC
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

40
43
44
44
48

Chương 9
PHẢN ỨNG OXY HOÁ TRONG HOÁ HỌC HỮU CƠ

50

9.1. MỞ ĐẦU
9.2. OXY HOÁ MẠCH NHÁNH ALKYL Ở ALKYLBENZEN

9.3. ĐIỀU CHẾ ALDEHYD VÀ KETON BẰNG SỰ OXY HOÁ ALCOHOL

50
52
54

20

37

i


9.4. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. OXY HOÁ TOLUEN THÀNH ACID BENZOIC
THÍ NGHIỆM 2. OXY HOÁ CYCLOHEXANOL THÀNH CYCLOHEXANON
BẰNG NATRI HYPOCLORIT
THÍ NGHIỆM 3. OXY HOÁ CYCLOHEXANOL THÀNH CYCLOHEXANON
BẰNG K2Cr2O7/CH3CO2H
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ
THÍ NGHIỆM 4. OXY HOÁ 4-CLOROBENZYL ALCOHOL THÀNH ACID 4CLOROBENZOIC BẰNG CALCI HYPOCLORIT
9.5. PHẢN ỨNG CỦA NHÓM CARBONYL: SỰ OXY HOÁ KETON THÀNH ACID
CARBOXYLIC
9.5.1. Cân bằng keto-enol. Sự tạo thành ion enolat do sự chuyển proton
9.5.2. Oxy hoá bằng acid nitric
9.5.3. Oxy hoá bằng permanganat
9.6. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 5. OXY HOÁ CYCLOHEXANON THÀNH ACID ADIPIC
BẰNG ACID NITRIC
THÍ NGHIỆM 6. OXY HOÁ CYCLOHEXANON THÀNH ACID ADIPIC

BẰNG KALI PERMANGANAT
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

59
59
64
69
75
76
81
81
83
83
84
84
86
90

Chương 10
SỰ KHỬ HOÁ NHÓM NITRO. TỔNG HỢP AMIN THƠM

92

10.1. MỞ ĐẦU
10.2. SỰ KHỬ HOÁ HỢP CHẤT NITRO THƠM
10.3. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. ĐIỀU CHẾ ANILIN: KHỬ HOÁ NITRO BENZEN BẰNG
Sn/HCl
THÍ NGHIỆM 2. ĐIỀU CHẾ ANILIN: KHỬ HOÁ NITRO BENZEN BẰNG
Fe/HCl

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

92
93
97
97
100
102

Chương 11
PHẢN ỨNG CỦA PHENOL: SỰ ACYL HOÁ NHÓM
HYDROXYL PHENOLIC

104

11.1. PHẢN ỨNG CỦA PHENOL
11.1.1. Phản ứng thế electrophil ở nhân thơm
11.1.2. Sự O-acyl hoá phenol
11.2. ASPIRIN: MỘT THUỐC GIẢM ĐAU
11.3. ĐIỀU CHẾ ASPIRIN (ACID ACETYLSALICYLIC)
11.4. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. TỔNG HỢP ASPIRIN
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ

104
104
108
111
112
115

115
119

ii


Chương 6
PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIL BÉO: ĐIỀU CHẾ
CÁC ALKYL HALIDE

Các nucleophil, Nu:, có thể thực hiện sự thế tại nguyên tử carbon no bằng một quá
trình bộc lộ nhiều nguyên tắc thú vị của hóa học hữu cơ, bao gồm cả các hiệu ứng không
gian và hiệu ứng dung môi đóng vai trò trong sự thế. Đối với nhà hóa học tổng hợp hữu cơ,
các loại phản ứng là rất quan trọng bởi vì họ thường xuyên cung cấp một loạt các chức
năng được điều chế từ một chất đầu đơn giản bằng cách thay đổi bản chất của các tác nhân
nucleophil. Trong chương này, ta sẽ xem xét các điểm đặc trưng chung của các loại phản
ứng này, và ta sẽ tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu sự chuyển đổi của các alcohol
thành halide, một phản ứng thế tiêu biểu.

6.1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
Sự thay thế của một nhóm bằng một nhóm khác ở một nguyên tử carbon no, lai hoá
sp3, là một phản ứng thường được sử dụng để chuyển đổi qua lại các nhóm chức khác
nhau, và quá trình này được gọi là một sự thế nucleophil béo (nucleophilic aliphatic
substitution). Sự biến đổi này được minh hoạ ở Phương trình 6.1, ở đây Nu: là một kí hiệu
cho một nucleophil tổng quát và đại diện cho một phân tử trung hoà hoặc một anion có đặc
tính base Lewis, và L: biểu diễn cho nhóm bị thế (leaving group). Phản ứng có thể được
coi là một phản ứng acid-base Lewis bởi vì nguyên tử carbon mang nhóm bị thế âm điện
có đặc tính acid Lewis. Điều này là do sự phân cực của liên kết C–L, dẫn đến điện tích
dương phần trên nguyên tử carbon.
Nu

+

R

δ+ δ−

C

L

Nu

C

R

+

L

(6.1)

Các nucleophil có chung tính chất do mang ít nhất một cặp electron không liên kết và
hoặc là trung hoà hoặc mang điện tích âm. Trong phản ứng thế, cặp electron không liên kết
của nucleophil, được nhường cho nguyên tử carbon electrophil có tính acid Lewis, cùng
với sự hình thành đồng thời một liên kết cộng hoá trị mới. Ví dụ về một số nucleophil điển
hình bao gồm Cl–, Br–, I–, HO–, N≡C–, R–C≡C–, H2O, N3–, R3N và RS–.

1

Các nhóm bị thế, L:, cũng có thể là trung hoà hoặc mang điện tích âm, phải nhận cặp
electron liên kết từ nguyên tử carbon khi liên kết C–L bị bẻ gãy. Sự dễ dàng mà các nhóm
khác nhau bị thế trong phản ứng thế nucleophil đã được xác định bằng thực nghiệm bằng
cách nghiên cứu các tốc độ phản ứng của một nucleophile cụ thể với các chất nền có các
nhóm bị thế khác nhau. Các nghiên cứu này cho thấy rằng khả năng bị thế của một nhóm
L: cụ thể tương quan với lực của acid liên hợp của nó: Các nhóm dễ bị thế hơn là các
nhóm là các base liên hợp của acid mạnh hơn. Chẳng hạn, một nhóm bị thế như Cl– là
base liên hợp của acid hydrocloric, một acid mạnh, do đó, Cl– là một nhóm dễ bị thế. Mặt
khác, HO– là một nhóm rất khó bị thế vì nó là base liên hợp của nước, một acid yếu; tuy
nhiên, bản thân H2O là một nhóm dễ bị thế vì nó là base liên hợp của hydroni, H3O+, một
acid mạnh.

6.2. PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIL
Sự thế nucleophil là một phản ứng chung cho các hợp chất béo, trong đó nhóm bị thế
được gắn với carbon lai hoá sp3 (Ptr. 6.1). Tuy nhiên, cơ chế cho một chuyển hoá đã cho
phụ thuộc vào cấu trúc của nhóm alkyl mang nhóm bị thế. Hai con đường cơ chế khác
nhau, áp dụng cho các sự thế như vậy, được kí hiệu là SN1 [S chỉ sự thế (substitution), N chỉ
nucleophilic và 1 chỉ đơn phân tử (unimolecular)] và SN2 [2 chỉ lưỡng phân tử (bimolecular)].
Hai cơ chế được mô tả trong các dạng chung trong các Phương trình 6.2 và 6.3.
C¬ chÕ SN1
chËm
R3C

L

L

+

Nu

+

C

H
R

2

R

1

chËm
L

R 3C

Nu

(6.2)

nhanh

C¬ chÕ SN2
R

Nu

R3 C

δ−

Nu

H

1

C
R

2

δ−

L

R
Nu

C

1

H

+

L

(6.3)

2

R
Tr¹ng th¸i
chuyÓn tiÕp

Khi sự thế nucleophil xảy ra theo cơ chế SN1, phản ứng diễn ra theo hai bước liên tiếp,
như được minh họa trong Phương trình 6.2. Bước thứ nhất liên quan đến sự phân cắt dị li
(heterolytic cleavage), hay sự ion hóa (ionization), của liên kết giữa nguyên tử carbon và
nhóm bị thế. Bước này được hỗ trợ bởi các tương tác phân cực giữa các phân tử dung môi
và các trung tâm cation và anion vừa mới được hình thành. Vì nhóm bị thế giành được cặp
electron liên kết, mảnh hữu cơ trở thành một carbocation, với nguyên tử carbon, trước đây
liên kết với L, bây giờ mang một điện tích dương. Carbocation trung gian có thể sau đó
tham gia các phản ứng thông thường của carbocation:
(1) Chuyển vị thành carbocation bền hơn;
(2) Mất một proton cho alken bằng cách tách bỏ (elimination) các đơn vị H–L; hoặc
2


(3) Kết hợp với một nucleophil để tạo thành các sản phẩm thế (Ptr. 6.2).
Thông thường, nồng độ của nucleophile, Nu:–, là cao so với nồng độ của L:– đã được
tạo ra, nên phản ứng của carbocation với L:– để cho chất đầu là tương đối không quan
trọng. Nếu nucleophil là dung môi, phản ứng được gọi là một sự dung môi phân
(solvolysis). Bước đầu tiên của một phản ứng SN1 là chậm hơn nhiều so với thứ hai bởi vì

nó liên quan đến bẻ gãy liên kết C–L để tạo ra một carbocation không ổn định, là một quá
trình thu nhiệt. Bước thứ hai là một quá trình nhanh và tỏa nhiệt, bao hàm đến sự hình
thành liên kết. Vì vậy, bước đầu tiên của một phản ứng của SN1 là bước xác định tốc độ
của phản ứng, và tốc độ phản ứng phụ thuộc chỉ vào nồng độ của chất nền, R–L. Một phản
ứng được gọi là phản ứng đơn phân tử (unimolecular reaction). Điều này được thể hiện
về mặt toán học bằng Phương trình 6.4, ở đây k1 là hằng số tốc độ bậc một.
Tốc độ = k1[R–L]

(6.4)

Khi sự thế xảy ra theo cơ chế SN2, nucleophil tấn công trực tiếp vào chất nền, với góc
tiệm cận là 180° so với liên kết C–L. Sự tấn công này được gọi là “sự tấn công phía sau”
(backside attack), và phản ứng diễn ra với sự nghịch đảo cấu hình, được gọi là “sự nghịch
đảo Walden”. Liên kết C–L bị bẻ gãy đồng thời với sự tạo thành liên kết C–Nu, cho nên cả
chất nền, R–L, và nucleophil đều bao hàm trong trạng thái chuyển tiếp của bước xác định
tốc độ phản ứng, trong đó hai chất phản ứng đều bao hàm trong trạng thái chuyển tiếp của
bước xác định tốc độ, được gọi là phản ứng lưỡng phân tử (bimolecular reaction), và tốc
độ của các quá trình như vậy phụ thuộc vào nồng độ của chất nền và của nucleophil, như
được chỉ ra trong Phương trình 6.5, ở đây k2 là hằng số tốc độ bậc hai.
Tốc độ = k2[R–L][Nu:]

(6.5)

Ta có thể tóm tắt một số yếu tố quan trọng khiến một chất nền cụ thể tham gia sự thế
một cách ưu tiên hoặc theo cơ chế SN1 hoặc theo cơ chế SN2 như sau.
1. Khi nhiều nhóm alkyl hơn được gắn vào nguyên tử carbon C–L tham gia vào sự thế
thì nó gây khó khăn hơn về mặt không gian đối với nucleophil tấn công từ phía sau, vì sự
cồng kềnh của các nhóm thế này, do đó làm giảm sự dễ dàng cho quá trình SN2 có thể xảy ra.
2. Với sự thế của các nhóm alkyl tăng lên trên nguyên tử arbon C–L, carbocation vừa
mới phôi thai trong phản ứng SN1 trở nên bền hơn (ổn định hơn), do đó làm tăng sự dễ

dàng tạo thành nó theo con đường SN1.
Hai ảnh hưởng này tăng cường lẫn nhau và mang lại các khuynh hướng chung sau.
Sù dÔ dµng t¨ng lªn cña ph¶n øng SN1
CH3 L

RCH2 L

R2CH L

R3C L

Sù dÔ dµng t¨ng lªn cña ph¶n øng SN2

Các tốc độ của cả hai phản ứng SN1 và SN2 phụ thuộc vào nhiệt độ của phản ứng. Khi
nhiệt độ tăng, động năng của các phân tử tăng, dẫn đến một tốc độ lớn phản ứng. Tốc độ
của nhiều phản ứng hữu cơ sẽ gần gấp đôi khi nhiệt độ tăng khoảng 10°C. Các thông tin
này tóm tắt trong Bảng 6.1.
3


Bảng 6.1. Tóm tắt về các phản ứng SN1 và SN2

Sự thế nucleophil đơn phân Sự thế nucleophil lưỡng phân
tử (SN1)
tử (SN2)
Động học

Bậc một

Bậc hai

Cơ chế

Hai bước; đơn phân tử ở bước
Một bước, lưỡng phân tử
xác định tốc độ qua carbocation

Hoá học lập thể

Sự racemic hoá chiếm ưu thế

Sự nghịch đảo cấu hình

Khả năng phản ứng
3° > 2° > 1° > CH3 > vinyl
của cấu trúc

3° < 2° < 1° < CH3

Sự chuyển vị

Có thể xảy ra

Không có chuyển vị vì không có
carbocation trung gian

–I > –Br > –Cl >> –F

–I > –Br > –Cl >> –F

Ảnh hưởng
nhóm bị thế

của

Ảnh hưởng
nucleophil

của Không quan trọng vì không –
I > Br – > Cl– > F–
phải là bước xác định tốc độ

Nồng
độ
nucleophil

của SN1 được tạo điều kiện bởi SN2 được tạo điều kiện bởi nồng
nồng độ thấp
độ cao

Độ phân cực dung
Cao, thuận lợi cho SN1
môi

Thấp, thuận lợi cho SN2

6.3. SỰ CẠNH TRANH GIỮA SỰ THẾ VÀ SỰ TÁCH
Các phản ứng tách tạo ra các alken có thể cạnh tranh trong các phản ứng mà trong đó
sự thế nucleophil béo là quá trình mong muốn. Các phản ứng tách đơn phân tử, E1 (E có
nghĩa là elimination, sự tách), cạnh tranh với các phản ứng thế SN1, và các quá trình tách

lưỡng phân tử, E2, cạnh tranh với sự chuyển hoá SN2. Các cạnh tranh này được chỉ ra
trong các Phương trình 6.6 và 6.7. Bản chất của các phản ứng E1 đã được thảo luận chi tiết
trong Phần 10.3 và các quá trình E2 trong Phần 10.2.
SN2 vµ E2
Sù t¸ch

C

C

+

+

L

H

Nu

L
C

C
H

Sù thÕ

Nu
Sù thÕ

(SN2)

4

C

C

Nu H
Sù t¸ch
(E2)

+

L

(6.6)


SN1 vµ E1
Sù t¸ch

C

C

+H

Nu

L
C

C
H

chËm

C

C

L

H

Sù thÕ

C

Nu
Sù thÕ
(SN1)

C

+

(6.7)

Nu H
Sù t¸ch
(E1)

Tiến trình của phản ứng có thể bị ảnh hưởng bởi bản chất của nucleophil có mặt. Sự
thế được thuận lợi hơn với các nucleophil có tính base yếu và có độ khả phân cực cao, như
I–, Br–, Cl–, H2O, và CH3CO2–, trong khi đó sự tách được thuận lợi hơn với các nucleophil
có tính base mạnh và chỉ có độ khả phân cực yếu, như RO–, H2N–, H–, và HO–, được sử
dụng. Độ khả phân cực (polarizability) là thước đo sự dễ dàng, mà bằng cách đó, đám mây
electron của base Lewis bị bóp méo bởi một trung tâm bên cạnh mang điện tích dương
phần hoặc mang điện tích dương. Hơn nữa, các nucleophil cồng kềnh có xu hướng thuận
lợi cho sự tách, vì nguyên tử hydro có thể dễ tiếp cận hơn về mặt không gian so với nguyên
tử carbon mang nhóm bị thế.

6.4. ĐIỀU CHẾ 1-BROMOBUTAN: PHẢN ỨNG THẾ SN2
Một kỹ thuật phổ biến để biến chuyển một alcohol bậc một thành một alkyl halide bao
hàm việc xử lí alcohol với một hydro halide H–X (X = Cl, Br hoặc I) như được biểu diễn
hiện trong Phương trình 6.8. Phản ứng này là thuận nghịch, và sự chuyển dịch cân bằng về
bên phải thường liên quan đến việc sử dụng một lượng dư lớn của acid, một chiến lược phù
hợp với nguyên lí Le Chatelier.
H

X

+

∆
R

OH

R
(X=Cl,Br,I)

X

+

H2O

(6.8)

Chẳng hạn, 1-bromobutan có thể được điều chế bằng cách đun nóng butan-1-ol với
acid bromhydric (acid hydrobromic), H–Br, khi có mặt acid sulfuric (Ptr. 6.9). Cơ chế
phản ứng này được biết là xảy ra trong hai bước, đầu tiên là sự proton hoá alcohol để cho
ion oxoni 1 thông qua một phản ứng acid-base Lewis (Ptr. 6.10). Ion oxoni này sau đó trải
qua sự thế bằng ion bromide để tạo thành 1-bromobutan và nước. Quá trình này là một
phản ứng SN2 nước, trong đó nước là nhóm bị thế và ion bromide là nucleophil. Acid
sulfuric dùng vào hai mục đích quan trọng: (1) là một tác nhân dehydrat hoá, làm giảm
hoạt động của nước và làm chuyển dịch vị trí của cân bằng về bên phải, và (2) cung cấp
một nguồn bổ sung của ion hydro để làm tăng nồng độ ion oxoni 1. Việc sử dụng acid
hydrobromic đặc cũng giúp thiết lập một cân bằng thuận lợi.

5


CH3 CH2 CH2 CH2

OH

+

H2SO4
HBr

Butan-1-ol
(n-Butyl alcohol)

∆

Br

+

H2O

(6.9)

Br

+

H2O

(6.10)

CH3 CH2 CH2 CH2
1-Bromobutan
(n-Butyl bromide)
H

CH3 CH2 CH2 CH2

OH

+H

CH3 CH2 CH2 CH2

O
H

1
Br
CH3 CH2 CH2 CH2

Không có phản ứng nào xảy ra giữa butan-1-ol và NaBr khi vắng mặt của acid mạnh
vì các nhóm bị thế trong các phản ứng thế nucleophil cần phải có tính base yếu (Phần 6.1),
là nước trong Phương trình 6.10. Nếu phản ứng của butan-1-ol và NaBr xảy ra (Ptr. 6.11),
nhóm bị thế nhất thiết phải là ion hydroxide có tính base mạnh, một nhóm khó bị thế. Do
đó phản ứng theo chiều thuận được mô tả trong Phương trình 6.11 không xảy ra. Mặt khác,
phản ứng theo chiều nghịch giữa 1-bromobutan và hydroxide diễn ra một cách dễ dàng bởi
vì nhóm bị thế trong phản ứng này là ion bromide có tính base yếu.
CH3 CH2 CH2 CH2

OH

+ NaBr

CH3 CH2 CH2 CH2

Br

+

NaOH

(6.11)

Hỗn hợp của acid hydrobromic và acid sulfuric có thể được chuẩn bị bởi hoặc bằng
cách thêm acid sulfuric đặc vào acid hydrobromic đặc hoặc bằng cách tạo ra acid
hydrobromic in situ bằng cách thêm acid sulfuric đặc vào dung dịch natri bromide (Ptr.
6.12). Cả hai phương pháp này đều làm việc tốt và cho hiệu suất cao của alkyl bromide từ
các alcohol có trọng lượng phân tử thấp. Phương pháp tạo ra H–Br in situ không có hiệu
quả với các alcohol có trọng lượng phân tử cao vì độ tan thấp của chúng trong các dung
dịch muối đặc, do đó, acid hydrobromic đặc (48%) được sử dụng để thay thế.
NaBr

+

H2SO4

HBr

+

NaHSO4

(6.12)

Mặc dù sự có mặt của acid sulfuric đẩy mạnh cho sự tạo thành alkyl bromide, song
một số phản ứng phụ có bao hàm acid sulfuric và alcohol có thể xảy ra. Một trong số đó là
sự ester hoá của alcohol bằng acid sulfuric để tạo thành một ankyl hydrosulfat 2 (Ptr.
6.13).
RO

H

+

H2SO 4

RO

SO3H

+

H2O

(6.13)

2
Alkyl hydro sulfat

Phản ứng này là thuận nghịch, và vị trí của cân bằng bị chuyển dịch về bên trái, tái tạo
lại alcohol 2 khi alkyl bromide được tạo thành. Sự tạo thành của bản thân 2 không làm
giảm hiệu suất của alkyl bromide một cách trực tiếp; thay vào đó, 2 tham gia vào các phản
ứng khác để cho các sản phẩm không mong muốn. Chẳng hạn, nó bị tách khi đun nóng để
cho một hỗn hợp các alken (Ptr. 6.14). Nó có thể phản ứng với một phân tử alcohol khác

6


để cho dialkyl ether bằng phản ứng SN2, trong đó nucleophil là ROH (Ptr. 6.15). Cả hai
phản ứng phụ này tiêu tốn alcohol, nên hiệu suất của alkyl bromide bị giảm xuống. May
mắn là các phản ứng phụ này được giảm thiểu đối với alcohol bậc một bằng cách kiểm soát
nhiệt độ của phản ứng và nồng độ của acid sulfuric.
RO

SO3H

RO

SO 3H

∆

+

Các alken

∆

R

O

R

+

H2SO4

(6.14)

H2SO4

(6.15)

Cần thiết phải sử dụng các qui trình khác nhau để điều chế các alkyl bromide bậc hai
từ các alcohol bậc hai, vì các alcohol như vậy bị dehydrat hoá một cách dễ dàng bởi acid
sulfuric đặc để cho alken theo Phương trình 6.14. Trong thực tế, sự dehydrat hoá được xúc
tác bằng acid của các alcohol bậc hai và bậc ba là phương pháp chung để tổng hợp các
alken (Phần 10.3). Vấn đề này có thể phá vỡ bằng cách sử dụng acid hydrobromic; tuy
nhiên, cách tốt hơn để điều chế các alkyl bromide bậc hai là bằng phản ứng của các alcohol
bậc hai với phosphor tribromide, PBr3 (Ptr. 6.16).
R OH

+

PBr3

R Br

+

H3PO 3

(6.16)

6.5. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 1. TỔNG HỢP 1-BROMOBUTAN TỪ BUTAN-1-OL
CH3 CH2 CH2 CH2

OH

Butan-1-ol
20
3
§s 116-118°C; d4 0,810 g/cm ;
nD20 1,399; M=74,12 g/mol

KBr
H2SO4, ∆

CH3 CH2 CH2 CH2

+

Br
KHSO4
1-Bromobutan
§s 100-104°C; d420 1,275 g/cm3

+

H2O

nD20 1,439; M=137,03 g/mol

Mục đích
Để minh hoạ sự chuyển hoá của một alcohol bậc một thành một bromoalkan khi sử
dụng acid hydrobromic.
An toàn phòng thí nghiệm
1. Kiểm tra dụng cụ thủy tinh (các vết nứt). Qui trình này liên quan đến việc đun nóng
acid đặc, và thủy tinh khiếm khuyết có thể vỡ dưới những điều kiện này, làm đổ các hóa
chất ăn mòn lên người.
2. Mang găng tay cao su trong khi thực hiện thí nghiệm.
3. Cần rất cẩn thận khi xử lí acid sulfuric đặc. Nếu bất kì acid sulfuric đặc tiếp xúc với da
thì ngay lập tức rửa sạch với nhiều nước lạnh và sau đó với dung dịch natri bicarbonat loãng.
4. Acid sulfuric đặc và nước trộn lẫn với nhau kèm theo sự thoát rất nhiều nhiệt. Luôn
luôn thêm acid vào nước, một kỹ thuật làm phân tán nhiệt thông qua sự nóng lên của nước.
Thêm từ từ acid và với khuấy đều để đảm bảo sự trộn lẫn liên tục và triệt để.
7


5. Butanol và các alcohol có trọng lượng phân tử cao có mùi khó chịu, độc, hít nhiều
sẽ gây đau đầu.
Chuẩn bị
1. Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web ) cho các hoá chất
được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như
The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các
thông tin này.
2. Trả lời các Câu hỏi và Bài tập chuẩn bị.
3. Đọc và xem lại các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11, 2.16, 2.18, 2.19, 2.21 và 2.22.
Hoá chất & dụng cụ
Hoá chất

Dụng cụ

n-Butanol (d420 0,8095)

15 ml

Bình cầu 1 cổ dung tích 100 ml

1

KBr

25 g

Sinh hàn hồi lưu

1

Acid sulfuric đặc (d 1,84)

20 ml

Bình Erlenmeyer dung tích 100 ml

3

Natri bisulfit (rắn)

Phễu chiết

1

Dung dịch NaOH 3M

Bộ cất đơn

1

CaCl2 khan

Cột Vigreux

1

Cách tiến hành
Chuẩn bị thí
nghiệm

1. Bộ máy phản ứng được lắp như ở hình
bên. Cho 20 ml nước vào trong bình cầu đáy
tròn 1 cổ dung tích 100 ml. Sau đó cho tiếp
25 g KBr đã được nghiền nhỏ vào, khuấy
trộn hỗn hợp bằng cách lắc đều bình cầu để
hoà tan phần lớn lượng KBr. Cho tiếp 15 ml
n-butanol vào bình phản ứng. Lắc đều.
2. Lắp sinh hàn hồi lưu. Trong khi vừa
khuấy đều (hoặc lắc bình cầu) vừa cho từ từ
lượng acid sulfuric đặc (20 ml) vào hỗn hợp
phản ứng. Hỗn hợp phản ứng sẽ tự nóng lên
(Vì sao?). Nếu cần thiết thì bình cầu được
làm lạnh bằng nước!

8

Nếu toàn bộ
lượng
acid
sulfuric được cho
vào hỗn hợp phản
ứng có được
không? Tại sao?


Tiến hành phản
ứng

Đun hồi lưu nhẹ hỗn hợp phản ứng cho đến
sôi và giữ cho hỗn hợp sôi đều trong vòng
45 phút. (Việc tăng thời gian phản ứng đến 1
giờ chỉ tăng hiệu suất chỉ 1–2%)! (Không
được đun sôi mạnh. Vì sao?)

Lớp trên sớm
phân tách là alkyl
bromide bởi vì
các giải pháp
dung dịch nước
muối vô cơ có tỉ
trọng lớn hơn và
chìm xuống dưới.

Xử lí phản ứng,

phân tách sản
phẩm

1. Tháo bỏ sinh hàn hồi lưu. Lắp bộ cất đơn
(Hình 4.7) và tiến hành chưng cất hỗn hợp,
thực hiện việc theo rõi nhiệt độ thường
xuyên, và tiếp tục chưng cất cho đến khi
không còn giọt sản phẩm không tan trong
nước (giọt dầu), khi đó nhiệt độ sẽ đạt đến
115° C (thu thập một vài giọt chưng cất
trong một ống nghiệm và xem nếu có hòa
tan trong nước không). Điểm sôi ngày càng
tăng là do chưng cất đẳng phí n-butyl
bromide với nước có chứa các lượng tăng
lên của acid sulfuric và acid hydrobromic
được cất ra cùng với nước, làm tăng điểm
sôi.

1. Để tránh việc
thất thoát sản
phẩm thì nên cho
vào bình hứng
khoảng 10 ml
nước lạnh.

2. Sản phẩm thô được chuyển vào phễu chiết
và lắc với 10 ml nước. Lưu ý rằng n-butyl
bromide (1-bromobutan) bây giờ nằm ở lớp
dưới. Một màu hồng, nếu có, ở lớp này do
dấu vết của brom có thể được loại ra bằng

cách thêm một một chút natri bisulfit rắn và
lắc một lần nữa. Tách lấy lớp n-butyl
bromide ở dưới vào bình Erlenmeyer sạch,
rửa sạch phễu chiết.

1. Sản phẩm thô
có
thể
chứa
dibutyl ether, nbutanol,
nước,
butylen và vết
brom.

3. Làm lạnh cẩn thận sản phẩm thô này và
10 ml acid sulfuric đặc (trong một bình
Erlenmeyer khác) trong nồi nước đá. Thêm
từ từ acid vào sản phẩm thô, đồng thời lắc
đều và làm lạnh, nhiệt độ tăng cao (Vì sao?)
có thể làm thất thoát sản phẩm. Rót hỗn hợp
này vào phễu chiết, để yên 5 phút để phân

2. Cần cẩn thận
khi làm việc với
acid sulfuric đặc!
Kiểm tra để thấy
rằng các khóa và
nút không bị rò rỉ.

2. Nếu ta sử dụng

máy khuấy thì
không cần đá bọt!

9


tách các lớp. Xác định hai lớp bằng cách so
sánh giá trị tỉ trọng; một phương pháp kinh
nghiệm cho biết các lớp là hút một vài giọt
của lớp thấp hơn vào một ống nghiệm và
xem liệu chất có thể hòa tan trong nước
(H2SO4) hoặc không hòa tan trong nước
(bromobutan).
4. Tách các lớp, để yên 5 phút để hệ tách
nước và tách một lần nữa. Sau đó rửa 1bromobutan bằng 10 ml dung dịch NaOH
3M (tỉ trọng 1,11) để loại bỏ các vết của
acid, tách lấy lớp sản phẩm (Cần xác định là
lớp nào theo cách mô tả ở trên). Làm khô 1bromobutan bằng cách thêm 1 g calci cloride
khan vào trong khi lắc đều cho đến khi chất
lỏng trong suốt.
Chưng cất sản
phẩm

6. Sau 5 phút, gạn chất lỏng đã được làm
khan vào một bình cầu dung tích 50 ml hoặc
lọc qua một giấy lọc gấp, thêm một viên đá
bọt, tiến hành chưng cất phân đoạn và thu
thập sản phẩm n-butyl bromide, sôi ở
khoảng 99–103°C. Hiệu suất điển hình là
trong khoảng 16–17 g. Cần lưu ý các thể tích

gần đúng của phân đoạn đầu và phần cặn
trong bình cất.

Phân tích kết quả

Đo thể tích của sản phẩm. Tính hiệu suất của
phản ứng. Đo chiết suất, và so sánh với giá
trị chiết suất tìm thấy trong tài liệu tham
khảo, giải thích sự sai lệch về chiết suất, nếu
có, về độ tinh khiết của sản phẩm nhận
được.

n-Butyl bromide là chất lỏng không màu, có Đsôi 101,6oC; d420 1,299; nD20 1,4398. Khi
để ngoài ánh sáng, butyl bromua bị phân huỷ với sự tách ra brom, vì vậy cần bảo quản nó
trong chai thuỷ tinh sẫm màu.

10


THÍ NGHIỆM 2. TỔNG HỢP 1-BROMOPROPAN TỪ PROPAN-1-OL
CH3 CH2 CH2

OH

Propan-1-ol
20
3
§s 96,5-98°C ; d4 0,803 g/cm ;

KBr

H2SO4, ∆

CH3 CH2 CH2

Br

+

KHSO4

1-Bromopropan
§s 70-71°C; d420 1,354 g/cm3

+

H2O

nD20 1,4341; M=123,00 g/mol

nD20 1,387; M=60,10 g/mol

Mục đích
Để minh hoạ sự chuyển hoá của một alcohol bậc một thành một bromoalkan khi sử
dụng acid hydrobromic.
An toàn phòng thí nghiệm
1. Kiểm tra dụng cụ thủy tinh (các vết nứt). Qui trình này liên quan đến việc đun nóng
acid đặc, và thủy tinh khiếm khuyết có thể vỡ dưới những điều kiện này, làm đổ các hóa
chất ăn mòn lên người.
2. Mang găng tay cao su trong khi thực hiện thí nghiệm.
3. Cần rất cẩn thận khi xử lí acid sulfuric đặc. Nếu bất kì acid sulfuric đặc tiếp xúc với

da thì ngay lập tức rửa sạch với nhiều nước lạnh và sau đó với dung dịch natri bicarbonat
loãng.
4. Acid sulfuric đặc và nước trộn lẫn với nhau kèm theo sự thoát rất nhiều nhiệt. Luôn
luôn thêm acid vào nước, một kỹ thuật làm phân tán nhiệt thông qua sự nóng lên của nước.
Thêm từ từ acid và với khuấy đều để đảm bảo sự trộn lẫn liên tục và triệt để.
Chuẩn bị
1. Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web ) cho các hoá chất
được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như
The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các
thông tin này.
2. Trả lời các Câu hỏi và Bài tập chuẩn bị.
3. Đọc các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11, 2.16, 2.18, 2.19, 2.21 và 2.22.
Hoá chất & dụng cụ
Hoá chất

Dụng cụ

n-Propanol (d420 0,8034)

12 ml

Bình cầu 1 cổ dung tích 100 ml

1

KBr

25 g

Sinh hàn hồi lưu

1

Acid sulfuric đặc (d 1,84)

20 ml

Bình Erlenmeyer dung tích 100 ml

3

Natri bisulfit (rắn)

Phễu chiết

1

Dung dịch NaOH 3M

Bộ cất đơn

1

CaCl2 khan

Cột Vigreux

1

11

Cách tiến hành
1. Bộ máy phản ứng được lắp như ở Hình 6.1.
Cho 20 ml nước vào trong bình cầu đáy tròn 1
cổ dung tích 100 ml. Sau đó cho tiếp 25 g KBr
đã được nghiền nhỏ vào, khuấy trộn hỗn hợp
bằng cách lắc đều bình cầu để hoà tan phần lớn
lượng KBr. Cho tiếp 12 ml n-propanol vào
bình phản ứng. Lắc đều.

- Chú ý là lượng
nước cần được lấy
đúng thể tích 20 ml,
nếu không, hiệu suất
sản phẩm sẽ giảm
xuống hoặc không
thu được sản phẩm.
- Khi nhỏ giọt xong
acid sulfuric thì sẽ
thu được một hỗn
hợp có màu vàng
nhạt (Vì sao?)

2. Lắp sinh hàn hồi lưu. Trong khi vừa khuấy
đều (hoặc lắc bình cầu) vừa cho từ từ lượng
acid sulfuric đặc (20 ml) vào hỗn hợp phản
ứng. Hỗn hợp phản ứng sẽ tự nóng lên (Vì
sao?). Nếu cần thiết thì bình cầu được làm lạnh
bằng nước!

Nếu toàn bộ lượng
acid sulfuric được
cho vào hỗn hợp
phản ứng có được
không? Tại sao?

Tiến hành phản
ứng

Đun hồi lưu nhẹ hỗn hợp phản ứng cho đến sôi
và giữ cho hỗn hợp sôi đều trong vòng 45 phút.
(Việc tăng thời gian phản ứng đến 1 giờ chỉ
tăng hiệu suất chỉ 1–2%)! (Không được đun sôi
mạnh. Vì sao?).

Lớp trên sớm phân
tách là alkyl bromide
bởi vì các giải pháp
dung dịch nước muối
vô cơ có tỉ trọng lớn
hơn và chìm xuống
dưới.

Xử lí phản ứng,
phân tách sản
phẩm

1. Tháo bỏ sinh hàn hồi lưu. Lắp bộ cất đơn và
tiến hành chưng cất hỗn hợp, thực hiện việc

theo rõi nhiệt độ thường xuyên, và tiếp tục
chưng cất cho đến khi không còn giọt sản
phẩm không tan trong nước (giọt dầu), khi đó
nhiệt độ sẽ đạt đến 95°C (thu thập một vài giọt
chưng cất trong một ống nghiệm và xem nếu
có hòa tan trong nước không). Điểm sôi ngày
càng tăng là do chưng cất đẳng phí n-propyl
bromide với nước có chứa các lượng tăng lên
của acid sulfuric và acid hydrobromic được cất
ra cùng với nước, làm tăng điểm sôi.

1. Để tránh việc thất
thoát sản phẩm thì
nên cho vào bình
hứng khoảng 10 ml
nước lạnh.

Chuẩn bị thí
nghiệm

12

2. Nếu ta sử dụng
máy khuấy thì không
cần đá bọt!


2. Sản phẩm thô được chuyển vào phễu chiết
và lắc với 10 ml nước. Lưu ý rằng n-propyl
bromide (1-bromopropan) bây giờ nằm ở lớp

dưới. Một màu hồng, nếu có, ở lớp này do dấu
vết của brom có thể được loại ra bằng cách
thêm một một chút natri bisulfit rắn và lắc một
lần nữa. Tách lấy lớp n-propyl bromide ở dưới
vào bình Erlenmeyer sạch, rửa sạch phễu chiết.

1. Sản phẩm thô có
thể chứa dipropyl
ether,
n-propanol,
nước, và vết brom.

3. Làm lạnh cẩn thận sản phẩm thô này và 10
ml acid sulfuric đặc (trong một bình
Erlenmeyer khác) trong nồi nước đá. Thêm từ
từ acid vào sản phẩm thô, đồng thời lắc đều và
làm lạnh, nhiệt độ tăng cao (Vì sao?) có thể
làm thất thoát sản phẩm. Rót hỗn hợp này vào
phễu chiết, để yên 5 phút để phân tách các lớp.
Xác định hai lớp bằng cách so sánh giá trị tỉ
trọng; một phương pháp kinh nghiệm cho biết
các lớp là hút một vài giọt của lớp thấp hơn
vào một ống nghiệm và xem liệu chất có thể
hòa tan trong nước (H2SO4) hoặc không hòa
tan trong nước (bromopropan).

2. Cần cẩn thận khi
làm việc với acid
sulfuric đặc! Kiểm
tra để thấy rằng các

khóa và nút không bị
rò rỉ.

4. Tách các lớp, để yên 5 phút để hệ tách nước
và tách một lần nữa. Sau đó rửa 1bromopropan bằng 10 ml dung dịch NaOH 3M
(tỉ trọng 1,11) để loại bỏ các vết của acid, tách
lấy lớp sản phẩm (Cần xác định là lớp nào
theo cách mô tả ở trên). Làm khô 1bromopropan bằng cách thêm 1 g calci cloride
khan vào trong khi lắc đều cho đến khi chất
lỏng trong suốt.
Chưng cất sản
phẩm

5. Sau 5 phút, gạn chất lỏng đã được làm khan
vào một bình cầu dung tích 50 ml hoặc lọc qua
một giấy lọc gấp, thêm một viên đá bọt, tiến
hành chưng cất phân đoạn và thu thập sản
phẩm n-propyl bromide, sôi ở khoảng
68−73°C. Hiệu suất điển hình là trong khoảng
9–12 g. Cần lưu ý các thể tích gần đúng của
phân đoạn đầu và phần cặn trong bình cất.
13


Phân tích kết
quả

Đo thể tích của sản phẩm. Tính hiệu suất của
phản ứng. Đo chiết suất, và so sánh với giá trị
chiết suất tìm thấy trong tài liệu tham khảo,

giải thích sự sai lệch về chiết suất, nếu có, về
độ tinh khiết của sản phẩm nhận được.

n-Propyl bromide (hay 1-bromopropan) là chất lỏng không màu, tan hoàn toàn trong
ethanol và diethyl ether, ít tan trong nước (100 ml chỉ hoà tan 0,25 g n-propyl bromide).
Đnc −109,9ºC; Đs 70,9ºC; d420 1,353; nD20 1,4370, có thể bị phân huỷ ngoài ánh sáng với sự
tách ra brom, vì vậy cần bảo quản nó trong chai thuỷ tinh sẫm màu.

––––––––––––––––––––––––––––––––––
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ
1. Một lượng nước được thêm vào hỗn hợp phản ứng ban đầu trong qui trình thí nghiệm.
a) Hiệu suất của 1-bromopropan có bị ảnh hưởng nếu nước không được thêm vào hay
không và những sản phẩm nào sẽ được tạo thành thuận lợi hơn?
b) Hiệu suất của sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng như thế nào bằng việc thêm gấp đôi lượng
nước, trong khi giữ nguyên lượng các chất phản ứng khác.
2. Trong quá trình tinh chế, lớp hữu cơ được rửa lần lượt bằng dung dịch NaOH 2M, nước,
và dung dịch NaCl bão hoà. Mục đích của mỗi lần rửa là gì và tại sao dung dịch NaOH 2M
cần làm lạnh trước?
3. Tại sao sau khi các việc rửa ở câu hỏi trên, thì cần 1-bromopropan được xử lí bằng natri
sulfat khan.
a. Tại sao phải làm điều này?
b. KOH hoặc NaOH rắn có thể được sử dụng cho mục đích này không? Hãy giải thích.
4. Bước cuối cùng của quá trình tinh chế bao gồm việc chưng cất đơn. Các tạp chất nào có
thể được loại bỏ bằng sự chưng cất này?
5. Khi sử dụng các mũi tên cong để biểu thị sự chuyển dịch electron, hãy đề nghị sự tạo
thành của các sản phẩm phụ từ sự tách có thể được tạo ra khi 1-butanol được xử lí với
HBr. Hãy chỉ rõ cơ chế là E1, E2, hoặc cả hai.
6. Hãy liệt kê hai yếu tố, một yếu tố là trong chất nền R−L và yếu tố thứ hai là trong
nucleophil Nu: được sử dụng, làm tang hiệu suất của sản phẩm E2 so với sản phẩm SN2
trong phản ứng của R–L với Nu:.

7. Khi xử lí với 1-butanol với acid sulfuric acid thì một cân bằng được thiết lập giữa 1butyl bisulfat và nước như sau.
CH3(CH2)2CH2OH

14

+

H2SO 4

CH3(CH2)2CH2OSO 3H
But-1-yl bisulfat

+ H2O


a. Khi sử dụng mũi tên cong để biểu thị sự chuyển dịch electron, hãy đề nghị cơ chế của sự
chuyển hoá 1-butanol thành 1-butyl bisulfat.
b. 1-Butyl bisulfat có thể như là tiền chất cho ether và alken cũng như 1-bromobutan mong
muốn. (i) Hãy đưa ra các cấu trúc dự kiến của ether và elken được tạo thành từ 1-butyl
bisulfat. (ii) Sử dụng mũi tên cong để đưa ra các cơ chế phản ứng đối với sự tạo thành của
mỗi sản phẩm phụ này và chỉ rõ là cơ chế SN1, SN2, E1, E2, hay không phải cơ chế nào
trên. (iii) Hãy giải thích tại sao ta dự đoán bisulfat là nhóm dễ bị thế đối với phản ứng thế
hoặc phản ứng tách.
8. Hãy để ý đến bước cơ chế sau trong sự chuyển hoá 1-butanol thành 1-bromobutan, trong
đó ion bromide ion thay thế nước từ ion oxoni sau.
H
CH3 CH2 CH2 CH2

OH

+H

CH3 CH2 CH2 CH2

O
H

1
Br
CH3 CH2 CH2 CH2

Br

+

H2O

(14.10)

a. Có bằng chứng nào, nếu có, rằng bước này bao hàm sự tấn công từ phía sau bởi
nucleophil?
b. Hãy đề nghị một thực nghiệm cho phép ta chứng minh rằng sự tấn công từ phía sau của
nucleophil vào cơ chất là thực sự là cơ chế cho phản ứng.
9. Việc lấy gấp đôi nồng độ của nucleophil ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ của một
phản ứng SN2?
10. 1-Butanol không tham gia các phản ứng SN2 khi không có mặt acid. Nếu alcohol được
chuyển hoá thành ester p-toluenesulfonat tương ứng như ở dưới, thì ta có thể dự đoán phản
ứng này tham gia một phản ứng SN2 với NaBr khi không có mặt acid hay không? Hãy giải
thích.
O

CH3 CH2 CH2 CH2 O

S

CH3

O
Butyl p-toluensulfonat

11. Hãy chú ý đến cấu trúc của 1-butanol và giải thích tại sao alcohol này không thể tham
gia phản ứng SN1.
12. Hãy chỉ rõ nguyên tử carbon có tính electrophil cao nhất ở 1-butanol và nêu lí do của
sự chọn này.
13. Neopentyl cloride, CH3C(CH3)2CH2Cl, là một alkyl halide bậc một tham gia các phản
ứng SN2 đặc biệt chậm. Hãy đưa ra sự giải thích điều này sao cho phù hợp với cơ chế phản
ứng. Hãy vẽ trạng thái chuyển tiếp cho bước xác định tốc độ.
14. Một sinh viên cố gắng điều chế tert-butyl ethyl ether bằng phản ứng thế giữa 2-cloro-2methylpropan (tert-butyl cloride) và natri sodium ethoxide. Không có ether mong muốn
15


nhận được. Sản phẩm nào được tạo thành và tại sao con đường tổng hợp ether này không
thành công? Hãy đưa ra phản ứng thế khác sao cho nhận được ether trên.
(CH3)3C

Cl

+

NaOCH2CH3

(CH3)3C

O

CH2 CH3

tert-Butyl ethyl ether

t-Butyl cloride

15. Phản ứng của 3-methyl-2-butanol với acid HBr đặc cho hai isomer bromoalkan như
sau.
HBr
(CH3)2CHCHCH3

(CH3)2CHCHCH3

OH
3-Methylbutan-2-ol

+

(CH3)2CCH2 CH3
Br

Br
2-Bromo-3-methylbutan
10%

2-Bromo-2-methylbutan

90%

Hãy sử dụng mũi tên cong để mô tả hai cơ chế hợp lí cho phản ứng này và giải thích sự tạo
thành của mỗi sản phẩm. Hãy chỉ rõ phản ứng là SN1 hay SN2.

––––––––––––––––––––––––––––––––––
6.6. ĐIỀU CHẾ 2-CLORO-2-METHYLBUTAN: PHẢN ỨNG SN1
Các tác nhân phản ứng khác nhau như HX và PX3 có thể được sử dụng để điều chế
các alkyl halide từ các alcohol bậc một và bậc hai. Tuy nhiên, bởi vì phản ứng tách chiếm
ưu thế khi các alcohol bậc ba được xử lí bằng các phosphor trihalide, nên việc điều chế các
alkyl halide bậc ba từ các alcohol bậc ba diễn ra với hiệu suất tốt chỉ nếu các hydro halide
đặc, HX, được sử dụng. Phản ứng của 2-methylbutan-2-ol (hay tert-amyl alcohol) với acid
hydrocloric (acid clorhydric) để tạo ra 2-cloro-2-methylbutan (Ptr. 6.17) minh họa sự
chuyển hoá này.
CH3

CH3
CH3 CH2

C

OH

CH3
2-Methylbutan-2-ol

CH3 CH2

C

Cl

(6.17)

CH3
2-Cloro-2-methylbutan

Việc biến đổi của alcohol bậc ba thành alkyl halide bậc ba tương ứng bằng cách sử
dụng hydro halide đặc diễn ra thông qua cơ chế SN1 (các Ptr. 6.18–6.20). Về mặt cơ chế,
bước đầu tiên của quá trình bao hàm sự proton hoá nhóm hydroxy của alcohol, một phản
ứng acid-base Lewis (Ptr. 6.18). Sự ion hóa sau đó xảy ra trong bước thứ hai, và một phân
tử nước bị mất (Ptr. 6.19). Do các trở ngại không gian ở nguyên tử carbon bậc ba, sự tấn
công của ion cloride 3 trong một quá trình SN2 (Phần 6.4) không xảy ra. Sự khác biệt này
về khả năng phản ứng giữa các ion oxoni xuất phát từ alcohol bậc ba và các ion oxoni xuất
phát từ alcohol bậc hai hay bậc một phản ánh các độ bền tương đối của ba loại carbocation
(3° > 2° > 1°), sẽ được hình thành khi mất một phân tử nước. Sự ion hóa là bước chậm, xác
định tốc độ trong dãy phản ứng. Trong bước cuối cùng của phản ứng, ion cloride tấn công
carbocation trung gian để tạo ra 2-cloro-2-methylbutan (Ptr. 6.20).
16


CH3 H
CH3 CH2

C

+H

O

CH3 H

nhanh

CH3 CH2

C

CH3 H

CH3
CH3 H
CH3 CH2

C

CH3 CH2

CH3 H

+

C

+

C

(6.19)

H2O

CH3
Carbocation bËc ba
t−¬ng ®èi bÒn

CH3
CH3 CH2

CH3

chËm

O

(6.18)

O

CH3

nhanh

CH3 CH2

Cl

C

(6.20)

Cl

CH3

CH3

Phản ứng phụ chủ yếu trong phản ứng SN1 của loại này là sự tách E1, do việc mất một
proton từ carbocation bậc ba để tạo ra 2-methylbut-1-en cùng với 2-methylbut-2-en (các
Ptr. 6.21 và 6.22), như đã được thảo luận chi tiết hơn trong Phần 8.4.
CH2
CH3 CH2

H

CH2

+

C

CH3 CH2

Cl

C

CH3

H

Cl

(6.21)

+

H

Cl

(6.22)

CH3

+

C

H

CH3
2-Methylbut-1-en

CH3

CH3 C

+

CH3 CH

Cl

C
CH3

CH3

2-Methylbut-2-en

Tuy nhiên, dưới các điều kiện phản ứng mà ta sẽ sử dụng ở dưới, sự tách có thể là
thuận nghịch thông qua sự cộng hợp theo Markovnikov của HCl vào 2-methylbut-1-en
hoặc 2-methylbut-2-en đã được tạo ra, và sự cộng hợp này cho 2-cloro-2-methylbutan
mong muốn (Ptr. 6.23).

CH2
CH3 CH2

+

C

H

Cl
CH3

CH3
CH3 CH2

CH3
CH3 CH

+

C

H

Cl

C
CH3

CH3

+

Cl

CH3 CH2

C

Cl

(6.23)

CH3

CH3

17


6.7. CÁC BÀI THỰC HÀNH
THÍ NGHIỆM 3. TỔNG HỢP 2-CHLORO-2-METHYLBUTAN
TỪ 2-METHYLBUTAN-2-OL
CH3
CH3 CH2

C

HCl

OH

CH3
CH3 CH2

C

Cl

CH3
2-Methylbutan-2-ol
§s 101-103°C; d425 0,805 g/cm3;

CH3
2-Cloro-2-methylbutan

§s 85-86°C; d425 0,866;

nD20 1,405; M=88,15 g/mol

nD20 1,4055; M=106,59 g/mol

Mục đích
Để minh hoạ sự chuyển hoá của một alcohol bậc ba thành một alkyl halide bậc ba khi
sử dụng acid hydrocloric.
An toàn phòng thí nghiệm
1. Kiểm tra cẩn thận phễu thủy tinh (các vết nứt). Xem khoá và nút phễu có đậy kín
được hay không. Qui trình này liên quan đến việc sự thoát khí kèm theo acid HCl đặc, nên
việc kiểm tra này là cần thiết để tránh làm đổ các hóa chất ăn mòn lên người.
2. Mang găng tay cao su trong khi thực hiện thí nghiệm, vì acid hydrocloric đặc được
sử dụng. Nếu bất kì acid HCl đặc tiếp xúc với da thì ngay lập tức rửa sạch với nhiều nước
lạnh và sau đó với dung dịch natri bicarbonat loãng.
3. Các butanol và các alcohol có trọng lượng phân tử cao có mùi khó chịu, độc, hít
nhiều sẽ gây đau đầu.
Chuẩn bị
1. Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web ) cho các hoá chất
được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như
The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các
thông tin này.
2. Đọc các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11, 2.16, 2.18, 2.19, 2.21 và 2.22.
Hoá chất & dụng cụ
Hoá chất

Dụng cụ

2-Methylbutan-2-ol (d420 0,805)

12 ml

Bình cầu 1 cổ dung tích 100 ml

1

Acid HCl đặc (12 M)

25 ml

Bình Erlenmeyer dung tích 100 ml

3

Dung dịch NaHCO3 bão hoà

Phễu chiết

1

Dung dịch NaCl bão hoà

Bộ cất đơn

1

Natri sulfat khan
Nồi nước đá
18

Cách tiến hành
Chuẩn bị thí
nghiệm

Cho 2-methylbutan-2-ol (10 ml) và 25 ml acid HCl Phản ứng này
đặc (12 M) vào phễu chiết.
được thực hiện
trong một phễu
chiết, vì thế cần
phải kiểm tra khoá
và nút phễu phải
thật kín.

Tiến hành
phản ứng

Lắc xoay tròn lượng chứa trong phễu chiết một
cách nhẹ nhàng mà không được đậy nút để trộn lẫn
các chất phản ứng. Sau khi lắc trong khoảng 1
phút, đậy nút lại và sau đó cẩn thận đảo ngược nó.
Xả áp suất dư (cân bằng áp suất) bằng cách mở
khóa phễu trong khi vẫn đảo ngược phễu. Sau khi
đã cân bằng áp suất, đóng khóa và lắc phễu trong
vài phút cùng với việc thỉnh thoảng cân bằng áp
suất.

1. Nếu không
thường xuyên xả

khí (cân bằng áp
suất) thì có thể bị
thất thoát sản
phẩm do sự trào
chất ra khỏi phễu
chiết.

1. Để yên phễu chiết trên giá đỡ để hỗn hợp tách
thành hai lớp riêng biệt. Phân tách các lớp và xác
định lớp nào là lớp hữu cơ. Rửa lớp hữu cơ lần
lượt bằng các phần từng 10 ml dung dịch NaCl bão
hòa và dung dịch natri bicarbonat bão hoà đã được
làm lạnh trước. Khi thêm dung dịch bicarbonat đầu
tiên, sự thoát khí mạnh thường xảy ra; nhẹ nhàng
lắc phễu (không được đậy nắp!) cho đến khi sự
thoát khí dừng lại. Đậy nắp phễu và cẩn thận đảo
ngược nó; thông khí phễu ngay lập tức để giải
phóng áp lực khí. Lắc phễu nhẹ nhàng với thường
xuyên cân bằng áp suất và sau đó lắc mạnh mẽ
(cũng phải thường xuyên cân bằng áp suất). Để
yên phễu, tách lấy lớp hữu cơ, và một lần nữa rửa
nó tuần tự với các phần 10 ml nước và dung dịch
natri cloride bão hòa.

Trong tất cả các
bước xử lí sản
phẩm, cần xác
định cẩn thận lớp
nào là lớp hữu cơ,
nhất là khi rửa

bằng các dung
dịch muối vô cơ
bão hoà.

Xử lí phản
ứng, phân
tách sản phẩm

2. Không nên lắc
phễu cho đến khi
áp suất đã được
cân bằng.

19


2. Cẩn thận loại bỏ lớp dung dịch nước, chuyển 2cloro-2-methylbutan sang một bình Erlenmeyer, và
làm khô sản phẩm bằng natri sulfat khan. Lắc tròn
bình thường xuyên trong 10–15 phút cho đến khi
sản phẩm khô; thêm phần nhỏ natri sulfat khan nếu
chất lỏng xuất hiện đục.
Chưng cất sản
phẩm

Sử dụng pipet Pasteur hoặc một pipet có đầu lọc
để chuyển cẩn thận sản phẩm thô vào một bình cầu
đáy tròn khô, thêm đá bọt và lắp bộ chưng cất đơn.
Chưng cất sản phẩm, thu sản phẩm vào bình hứng
được làm lạnh bằng cách nhúng trong nồi nước đá.
Bởi vì lượng tương đối nhỏ của sản phẩm, nên có

thể khó để có được một điểm sôi chính xác, do đó,
ta nên thu thập phân đoạn có điểm sôi lớn hơn
khoảng 75°C (760 torr).

Phân tích kết
quả

Đo thể tích của sản phẩm. Tính hiệu suất của phản
ứng. Đo chiết suất, và so sánh với giá trị chiết suất
tìm thấy trong tài liệu tham khảo, giải thích sự sai
lệch về chiết suất, nếu có, về độ tinh khiết của sản
phẩm nhận được.

2-Cloro-2-methylbutan (hay tert-amyl cloride) là một alkyl cloride được sử dụng cho
hương liệu và tạo mùi thơm. Là chất lỏng không màu, tan hoàn toàn trong ethanol và
diethyl ether, ít tan trong nước. Đnc −13°C; Đs 85–86°C; d425 0,866; nD20 1,4055.

––––––––––––––––––––––––––––––––––
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ
1. Qui trình xử lí được sử dụng để rửa 2-cloro-2-methylbutan thô bằng dung dịch natri
bicarbonat lạnh.
a. Mục đích của việc rửa này là gì?
b. Qui trình rửa này kèm theo sự thoát khí mạnh, gây khó khăn cho việc xử lí và yêu cầu sự
thận trọng đáng kể. Ngoài cách này, người ta có thể sử dụng dung dịch NaoOH loãng thay
cho dung dịch natri bicarbonat. Hãy bàn luận về những thuận lợi và bất lợi của việc sử
dụng các dung dịch base trong việc xử lí này.
c. Trên cơ sở câu trả lời cho (b), tại sao lại sử dụng natri bicarbonat mặc dù khó khăn hơn
để xử lí.
2. Mục đích của việc rửa lần cuối cùng của lớp hữu cơ bằng dung dịch NaCl bão hoà trong
quá trình tinh chế là gì?

20


3. 2-Cloro-2-methylbutan được làm khan bằng natri sulfate khan trong qui trình này. Natri
hydroxide hoặc kali hydroxide có thể được sử dụng cho mục đích này không? Giải thích.
4. Hãy vẽ giản đồ phản ứng để minh hoạ sự chuyển hoá của 2-methylbutan-2-ol và HCl
thành 2-cloro-2-methylbutan và nước (các Phương trình 13.18–13.20). Gán nhãn enthalpy
hoạt hoá, ∆H‡, đối với bước xác định tốc độ và enthalpy, ∆Hrxn, cho phản ứng tổng thể.
5. Giải thích tại sao các dung môi phân cực được dự đoán làm tăng tốc độ phản ứng trong
Bài tập 19.
6. Hãy xem xét các sản phẩm phụ có thể được tạo thành bằng các quá trình E1 và/hoặc E2
trong phản ứng của 2-methylbutan-2-ol với HCl.
(CH3)2CCH2 CH3

+

OH
2-Methylbutan-2-ol

HCl
dung dÞch n−íc

?

a. Hãy đưa ra các cấu trúc cho các sản phẩm này.
b. Alken nào được dự đoán là chiếm ưu thế và tại sao?
7. Hãy vẽ cấu trúc của tất cả các alcohol là isomer với 2-methyl-2-butanol.
a. Sắp xếp các alcohol này theo chiều tăng về khả năng phản ứng đối với acid HCl đặc.
b. Alcohol nào, nếu có, được dự đoán là cho hiệu suất chấp nhận được của alkyl cloride
tương ứng dưới các điều kiện phản ứng như trên.

8. Hãy xem xét phản ứng của (S)-3-methylhexan-3-ol với HCl đặc.
CH3
CH3 CH2 CCH2 CH2 CH3
OH
3-Methylhexan-3-ol

CH3

+

HCl
dung dÞch ®Æc

CH3 CH2 CCH2 CH2 CH3
Cl
3-Cloro-3-methylhexan

a. Hãy vẽ biểu diễn phối cảnh cho enantiomer này.
b. Hãy dự đoán xem 3-cloro-3-methylhexan được tạo thành trong phản ứng này là R-, S-,
hay hỗn hợp racemic, và giải thích.
9. Tại sao sự ion hoá của chất nền bậc ba R3C–L diễn ra ở tốc độ nhanh hơn so với sự ion
hoá của chất nền bậc hai R2CH–L?
10. Sự tăng gấp đôi nồng độ của nucleophil làm ảnh hưởng đến tốc độ của một phản ứng
SN1 như thế nào?
11. Benzyl cloride, C6H5CH2Cl, dễ dàng tham gia phản ứng SN1, dù cho nó là chất nền bậc
một. Giải thích kết quả dường như bất thường này.
12. Đối với mỗi cặp chất sau đây, hãy dự đoán chất nào sẽ tham gia phản ứng SN1 nhanh
hơn. Giải thích.

21