Hóa hữu cơ: Chương 3: CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA HỢP CHẤT HỮU CƠ

1
Hóa

HọcHữuCơ
TS Phan

Thanh

SơnNam
Bộ

môn

Kỹ

ThuậtHữuCơ
Khoa

Kỹ

ThuậtHóaHọc
Trường

ĐạiHọc

Bách

Khoa

TP. HCM
Điệnthoại: 8647256 ext. 5681

Email:
2
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

củachấtban đầubị

thay

thế

bởi

1 nguyên

tử

hay
nhóm

nguyên

tử

khác
CH
3

-CH
2

-Cl + OH
-
Æ CH
3
-CH
2
-OH + Cl
-
• Tác

nhân

ái

nhân:

các

tác

nhân

mang

điệntích

âm

(hay phân

tử

trung

hòa

chứacặp

điệntử

tự

do)
Æ
tấn công vào trung tâm tích điện+
3
Phản

ứng

thế

ái

nhân

(S
N

)
y
-

+ R-X Æ R-y + X
-
y
-
: RO
-
, OH
-
, RCOO
-
, NH
3
, NH
2
R, H

2
O, ROH…
R: gốc

hydrocarbon
X: Cl, Br, OH, OR, OSO
2

R…
Ví

dụ:
CH
3

-CH
2

-Cl + OH
-
Æ CH
3
-CH
2
-OH + Cl
-
CH
3

-CH

2

-Br + CH
3

O
-
Æ CH
3
-CH
2
-O-CH
3
+ Br
-
CH
3

-CH
2

-Br + NH
3
Æ CH
3
-CH
2
-NH
2
+ HBr

4
I.2. Phn

ng

th

ỏi

nhõn

lng

phõn

t

(S
N

2)
Lng

phõn

t:



giai

onchm, cú

s

tham

gia

ca2 tiu

phõn
a.C

ch:
cha
ọ
m
y
-
+ R-X
[y
-
R X
-
]
nhanh
R-y + X
-
traùng thaựi chuyeồn tieỏp

Liờn

ktgia

C & y hỡnh

thnh

ng

thivis

yu

i& tcaC & X ặ 2 tiu phõn tham gia
vo giai onchm
Nuy
-

khụng

d

nhiu:

r = k[y
-
].[R-X]

phn

ng

bc2
5
Giản

đồ

năng

lượng:
6
• R-OH: phản

ứng

thế

chỉ

xảyratrongmôitrường

acid vì

C-O bền
• Dẫnxuấtcủa

carbon bậc1 chỉ

cho

S
N

2
S
N

2: carbon bậc1 (chỉ

cho

S
N

2) > carbon bậc2 >
carbon bậc3 (chỉ

cho

S
N

1)
S
N

2: CH
3

-CH
2

-Cl + OH
-
Æ CH
3
-CH
2
-OH + Cl
-
7
b. Tính

lậpthể

củaS
N

2
Phân

tử

có

chứaC*: sẽ

có

sự

thay

đổicấuhình(R
Æ
S & ngượclại) (nghịch đảo Walden)
C* X
R
2
H
R
1
C*
R
2
H
R
1
yX
C*
R
2
H
R
1
y
y
-

+
chaäm
nhanh
(R)-
(S)-
y
-

tấn

công

ngượchướng

so vớiX Æ sảnphẩmcó
cấuhìnhngượcvới tác chất
8
I.3. Phản

ứng

thế

ái

nhân

đơn

phân

tử

(S
N

1)
Đơn

phân

tử: ở

giai

đoạnchậmchỉ

có

sự

tham

gia

của1 tiểu

phân
a. Cơ

chế
R
+
R-X
R
+
X
-
chaäm
+
+ y
-
nhanh
R-y
• Ở

giai

đoạnchậm: y
-

không

tham

gia
• S
N

1 thường

có

bậc

1 r = k[R-X]
9
Giản

đồ

năng

lượng:
10
Dẫnxuấtcủa

carbon bậc3 chỉ

cho

S
N

1
S
N

1: carbon bậc3 (chỉ

cho

S
N

1) > carbon bậc2 >
carbon bậc1 (chỉ

cho

S
N

2)
Ví

dụ

S
N

1:
H
3
CC
CH
3
Br
CH
3

+ OH
-
H
3
CC
CH
3
OH
CH
3
+ Br
-
11
Tính

lậpthể

củaS
N

1
C* X
R
3
R
2
R
1
C*
R

3
R
2
R
1
chaäm
C*
R
3
R
2
R
1
y
n
han
h
-X
-
n
han
h
C* y
R
3
R
2
R
1
(R

1
≠

R
2
≠

R
3
)
Sảnphẩmcóthể

là

hỗnhợp

racemic
Carbocation

có

cấutrúcphẳng Æ khả năng tấn
công củay
-
ở 2 phía là như nhau Æ 50% S + 50% R
12
13
I.4. Các

yếutốảnh

hưởng

lên

phản

ứng

thế
ái

nhân
a.

Ảnh

hưởng

củagốcR
•

GốcR bậc

càng

cao: Æ khả năng S
N
1 tăng & S
N

2
giảm
•

S
N

1: carbon bậc3 (chỉ

cho

S
N

1) > carbon bậc2 >
carbon bậc1 (chỉ

cho

S
N

2)
Do S
N

1 phụ

thuộcvàođộ

bềncủa

carbocation

tạo

thành:
HCCH
2
H
H
CC
+
H
C
H
H
H H
H
H
CC
+
C
C
H
H
H H
H
H
H

HH
<
<
<
CH
3
+
14
• S
N

2: carbon bậc1 (chỉ

cho

S
N

2) > carbon bậc2 >
carbon bậc3 (chỉ

cho

S
N

1)
Bậccủa

R càng

cao Æ y
-
càng khó tấn công do điệntích(+) ở C
giảm & do hiệu ứng không gian củagốcalkyl Æ S
N
2 càng khó
xãy ra
15
b. Ảnh

hưởng

của

tác

nhân

ái

nhân

y
-
• S
N

1: không

phụ

thuộcy
-
• S
N

2: phụ

thuộc

nhiều

vào

y
-

do giai

đoạnchậmcó

y
-

tham

gia
•Tác

nhân

có

tính

ái

nhân

càng

cao

thì

càng

dễ

cho

S
N

2
•Thông

thường, tính

ái

nhân

đồng

biếnvớitính

base
NH2
-

> (CH
3

)
3

CO
-

>

(CH
3

)
2

CHO

-

> C
2

H
5

O
-

>

CH
3

O
-

> OH
-

> C
6

H
5

O
-

> HCO
3
-

> CH
3

COO
-
16
•Trong

cùng

1 phân

nhóm

chính

củabảng

HTTH:
tính

ái

nhân

nghịch

biếnvới

tính

base (phản

ứng

thựchiện

trong

H
2

O, ROH):
•Tính

base:

F
-

> Cl
-

> Br
-

> I
-
•Tính

ái

nhân:

F
-

< Cl
-

< Br
-

< I
-
•Tính

ái

nhân:

HS
-

> OH

-
•Tính

ái

nhân:

C
2

H
5

S
-

> C
2

H
5

O
-
•Tuy

nhiên

trong

pha

khí, tính

ái

nhân: F
-

> Cl
-

> Br
-

> I
-
• Phân

biệt

tính

base & tính

ái

nhân: Tính

base Æ vị

trí cân bằng, tính ái nhân Æ tốc độ!!!
17
c. Ảnh

hưởng

của

nhóm

bị

thế

-X
• Các

nhóm

thế

có

tính

base cao Æ rấtkhóbị tách
ra, ví dụ: -OH, -OR, -NH
2
, -F…
Ví

dụ:

R-OH + HBrđđ Æ R-Br + H
2
O cầnxúctác
H
2
SO
4
R-OH không

phản

ứng

vớiKBr
• Halogen, khả

năng

tách

nhóm:

F-

< Cl-

< Br-

< I-

(Do I có

bán

kính

lớn
Æ
C-I dễ phân cựchơn
Năng

lượng

đứtliênkết: C-I < C-Br < C-Cl

< C-F)
18
d. Ảnh

hưởng

của

dung môi
•

Dung môi

phân

cực

có

proton như

H
2

O, ROH,
HCOOH…

có

khả

năng

solvate hóa

cao

cả

anion &
cation Æ thuậnlợichoS
N

1
CX
R
3
R
2
R
1
C
+
R
3
R
2
R
1
-X
-
chaäm
O
H
H
+ X
-
HO
H
•Dung môi

phân

cực

không

có

proton như

(CH
3

)
2

SO, (CH
3

)
2

NCHO…

khôngcókhả

năng

solvate
hóa

anion Æ thuậnlợichoS

N
2
19
II. Phản

ứng

tách

loại
Là

phản

ứng

trong

đócósự

tách

1nguyên tử

hay
nhóm

nguyên

tử

ra

khỏichấtban đầu
RCH
2
CH
2
Br
RO
-
RCH
2
CH
2
OH
H
+
RCH
2
CH
2
N
+
R
3
HO
-
RCHCH
2

RCHCH
2
RCHCH
2
+ HBr
+ HOH
t
o
t
o
+ HOH + NR
3
t
o
• Nhóm

bị

tách

cùng

Hβ:

-OH, -OR, -X, -O
+
(R)
2

,

-N
+
(R)
3

, -OSO
2

R…
• Base sử

dụng:

các

base mạnh

như

OH
-
, RO
-
, NH
2
-
20
II. 1. Phn

ng

tỏch

loilng

phõn

t

(E
2

)
a. C

ch
y
-
+
RCH
2
CH
2
X
HCCH
2
R
H
y

X

chaọm
nhanh
H-y +
RCH
CH
2
+ X
-
traùng thaựi chuyeồn tieỏp




giai

onchm, cú

s

tham

gia

ca2 tiu

phõn
ặ
lng phõn t

Tc



phn

ng

r = k[R-X].[y
-
]


R-CH
2

-CH
2

-OH:

ch

tỏch

loi

trong

mụi

trng

acid

t
o

cao

(thng

l

sulfuric acid, acid rn)
21
b.Tính

lậpthể

củaE
2
• Các

hydrocarbon không

no Æ tách loạidễ khi
các nhóm bị tách ở vị trí trans
với nhau
HOOC Cl

COOHH
OH
-
-HCl
COOH
COOH
OH
-
-HCl
HOOC Cl
HHOOC
(1)
(2)
chlorofumaric acid chloromaleic acid
Tốc

độ

(1) lớnhơn

(2) 30 lần
22
•

Các

hydrocarbon no hay vòng

no Æ tách loại
dễ khi các nhóm bị tách ở vị trí trans

, anti vớinhau
•

Lưuý: dẫnxuấtcủa

cyclohexane Æ chỉ tách được
khi nhóm bị tách ở vị trí trans & phải ở kiểu liên
kết axial (trục)!!!
H
H
Br
CH
3
CH
3
H
Br
H
CH
3
CH
3
CH
3
+
khoù
saûn phaåm chính
23
II.2. Phản

ứng

tách

loại

đơn

phân

tử

(E
1

)
Cơ

chế:
HCC X
HCC
+
+ X
-
HCC
+
H
+
+
chaäm

nhanh
•

Thường

các

dẫnxuấtcủa

hydrocarbon ở

carbon
bậc3 baogiờ

cũng

cho

E
1
• Carbocation

càng

bền, càng

dễ

cho

E
1
• Tốc

độ

r = k [R-X]
•

Những

yếutố

làm

thuậnlợiS
N

1 cũng

làm

thuậnlợi

cho

E
1
24
Ví

dụ:
H
3
CCBr
CH
3
CH
3
chaäm
CC
+
C
C
H
H
H H
H
H
H
HH
+ Br
-
CC
+
C
C
H
H
H H

H
H
H
HH
+ C
2
H
5
O
-
nhanh
H
2
CC
CH
3
CH
3
+ C
2
H
5
OH
25
II.3. Hướng

củaphản

ứng

tách

loại
a. Quy

tắc

Zaitsev
• Dẫnxuấtbậc1 Æ thường chỉ cho 1 sảnphẩmduy
nhấtkhitáchloại
CH
3

-CH
2

-CH
2

-Br chỉ

cho

CH
3

-CH=CH
2
• Dẫnxuấtbậc2, bậc3: Æ cho nhiềuhơn1 sảnphẩm
H

3
CCC C H
H
BrH
H
H
OH
-
H
3
CCH CH CH
3
(Zaitsev)
H
3
CCH
2
CH CH
2
(Hofmann)
H
•

Sảnphẩm

Zaitsev

: bềnhơn

(do +H) Æ thông

thường, phản ứng tách loạichosảnphẩm
Zaitsev
•

Quy

tắc: phản

ứng

tách

loạisẽ

cho

sảnphẩmmà

carbon củanối

đôi

lkếtvới

nhiềunhómalkyl nhất