Phản ứng thế ái nhân là gì

Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 32 Chương 4: PHẢN ỨNG HỮU CƠ 4.1. Một số khái niệm chung Như chúng ta thường nói phản ứng hoá học là quá trình biến đổi chất này thành chất khác, trong đó có quá trình phá vỡ liên kết cũ tạo ra liên kết mới. Quá trình phá vỡ liên kết cũ có thể tạo ra ion, tạo ra gốc tự do. + -. . + -A + B AB A B A + B Các phản ứng phân cực, các ion, các gốc tự do tác dụng các chất khác tạo ra chất mới. Phản ứng hoá học có sự tham gia của gốc tự do gọi phản ứng theo gốc tự do. Các gốc tự do có năng lượng lớn, thời gian tồn tại ngắn, có khả năng cho phản ứng cao. Các hợp chất hyđro peroxit và peroxit dễ phân huỷ cho gốc tự do. Phản ứng hoá học có sự tham gia của các ion gọi phản ứng ion. Tác nhân tương tác A+ gọi là tác nhân ái điện tử. Tác nhân B- gọi là tác nhân ái nhân. Tác nhân ái nhân cũng là một bazơ của Lewis, tác nhân ái điện tử là một axit của Lewis. Trong phản ứng oxy hoá khử có thể xem tác nhân ái nhân là chất khử, còn tác nhân ái điện tử nhận điện tử của tác nhân ái nhân nên có thể xem là chất oxy hoá. Như vậy các phản ứng hoá học: phản ứng cộng hợp, phản ứng thế, phản ứng tách loại, có thể xảy ra theo cơ chế gốc tự do, hoặc cơ chế ion. Phản ứng theo cơ chế ion có cơ chế ái điện tử và cơ chế ái nhân. Tuỳ thuộc vào số lượng các phân tử hoặc ion, tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng mà có loại phản ứng đơn phân tử, lưỡng phân tử hoặc nhiều phân tử. Trong phản ứng hoá hữu cơ, các chất tham gia phản ứng có thể thực hiện ở trạng thái hơi, trạng thái lỏng, trạng thái rắn có dung môi hòa tan hoặc không dung môi hoà tan. 4.2. Đặc điểm của phản ứng hữu cơ Phản ứng hoá học hữu cơ không những có nhiều về số lượng, rất phức tạp và về cơ chế mà còn có những đặc điểm riêng sau đây: - Phản ứng xảy ra thường là chậm. - Phản ứng xảy ra qua nhiều giai đoạn (phản ứng nối tiếp). - Phản ứng xảy ra song song nhau (phản ứng cạnh tranh sinh ra sản phẩm phụ). Phản ứng hữu cơ thường xảy ra không qua giai đoạn phân ly ra ion, mà qua giai đoạn tạo ra trạng thái trung gian gọi là trạng thái phức hoạt động hay trạng thái chuyển tiếp rồi sau đó tạo ra chất mới. Bằng con đường qua trạng thái chuyển tiếp phản ứng tiêu tốn năng lượng ít hơn nhiều so với phân ly ra ion. 4.2.1. Tốc độ phản ứng Các phản ứng hoá học xảy ra một giai đoạn như: aA + bB eE Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 33 Vận tốc của phản ứng được xác đinh: v = k[A]a [B]b. Phản ứng bậc a đối với A, bậc b đối với B và bậc của phản ứng là (a+b). Các phản ứng qua nhiều giai đoạn việc tính vận tốc trở nên phức tạp hơn. Trường hợp này có thể tính gần đúng là bỏ qua các giai đoạn phản ứng nhanh, giai đoạn chậm nhất là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng. 4.2.2. Phản ứng cạnh tranh Đặc điểm đặc biệt trong phản ứng hữu cơ là một trong các chất như nhau phản ứng xảy ra nhiều hướng khác nhau cho sản phẩm chính và sản phẩm phụ (phản ứng song song nhau). Thí dụ: Chất A đồng thời phản ứng với chất B và D (hoặc cùng một chất B nhưng ở vị trí khác nhau trong phân tử): A + B 1K E A + D 2K G Đối với phản ứng một chiều, có cùng bậc phản ứng thì tương quan giữa sản phẩm E và G tạo thành không đổi trong quá trình phản ứng. Tỷ lệ này là thước đo hoạt tính tương tác của B và D đối với A. [ ] [ ] 2 1 K K G E = 4.2.3. Trạng thái chuyển tiếp Thuyết va chạm: muốn phản ứng hoá học xảy ra các chất tham gia phản ứng phảI va chạm nhau. Người ta tính được số va chạm giữa hai phân tử trong 1 giây ở thể tích 1cm3 và 150C khoảng 1014 va chạm. Nếu mỗi va chạm đều xảy ra phản ứng thì tốc độ phản ứng rất lớn. Thực sự không phải va chạm nào cũng xảy ra phản ứng. Các va chạm gây ra phản ứng chỉ đối với phân tử có năng lượng cao, ở năng lượng đó mỗi va chạm đều sinh ra chất mới. Năng lượng này được gọi là năng lượng hoạt hoá. Nghiên cứu về vấn đề này Arenius đưa ra phương trình xác định sự phụ thuộc hằng số vận tốc phản ứng: K = p.z. RT E e Với: K là hằng số vận tốc z là số va chạm (vận tốc phản ứng tỷ lệ thuận với z) E là năng lượng hoạt hoá p là tác nhân xác suất, tác nhân lập thể. Nó cho biết sự khác nhau giữa tốc độ thực và tốc độ tính theo lý thuyết (p = 10-1 10-3). Việc tính yếu tố xác suất p không đơn giản, vì vậy thuyết va chạm bị hạn chế áp dụng cho nhiều phản ứng. Thuyết trạng thái chuyển tiếp ra đời. Đây là thuyết có giá trị trong việc giải quyết các cơ chế phản ứng hoá học. Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 34 Xét phản ứng hoá học: A + BC AB + C Muốn phản ứng hoá học xảy ra, trước hết BC phải phân ly thành B và C. Sau đó B kết hợp với A tạo ra AB. Phản ứng thực hiện bằng con đường này phải tiêu tốn năng lượng lớn để phân ly BC thành B + C. Năng lượng này xa với năng lượng thực tế cần thiết để tạo ra phân tử AB. Theo Hayle London Ingold phản ứng xảy ra không qua giai đoạn BC phân ly thành B và C, mà BC cùng A tạo ra trạng thái chuyển tiếp, ở trạng thái này A...B...C cùng nằm trên một trạng thái đảm bảo năng lượng tương tác nhỏ nhất. Có thể biểu diễn thuyết trạng thái chuyển tiếp áp dung cho khả năng phản ứng hệ 3 trung tâm như A + BC là: A + BC A...B...C AB + C Đối với hệ có 4 trung tâm AB + CD AC + BD có thể biểu diễn trạng thái chuyển tiếp: A C B D + A C B D + A C B D trạng thái chuyển tiếp 4.3. Phản ứng thế trong hoá học hữu cơ 4.3.1. Khái niệm Phản ứng thế kí hiệu bằng chữ S (xuất phát từ Substitution có nghĩa là sự thay thế) là phản ứng trong đó một nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử được thay thế bằng nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác. Thí dụ: CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl CH3 Cl + NaOH CH3 OH + NaCl Phản ứng trùng ngưng thực chất là những phản ứng thế nối tiếp nhau. Phản ứng thế là phản ứng rất phổ biến trong hoá học hữu cơ, là phản ứng được nghiên cứu kỹ và rất lâu đời, ... Tuỳ thuộc vào bản chất từng loại tác nhân tương tác mà có thể chia các loại phản ứng sau: 4.3.2. Cơ chế phản ứng thế a) Phản ứng thế theo cơ chế gốc tự do ,,,,,, ++ RRRRRR Các gốc tự do được tạo thành có thể do tác dụng nhiệt hoặc ánh sáng, ví dụ: Các hydro peroxyt, peroxyt: HORHOOR t + O0 + ORRROOR t ,, O0 + ClClCl hv2 Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 35 Các phản ứng halogen hoá ankan, phản ứng ankyl halogenua với kim loại, ... là những phản ứng thế theo gốc tự do. ClMgRMgClR ++ 2MgClRClMgClR ++ + + + RMgClRMgRMgR ClR Phản ứng clo hoá: R H + Cl2 hv RCl + HCl + ClClCl hv2 HClRClHR ++ ++ ClRClClR 2 b) Phản ứng thế theo cơ chế ái điện tử Phản ứng thế ái điện tử được kí hiệu là SE ( 21 , EE SS là phản ứng đơn phân tử hay lưỡng phân tử). Sơ đồ tổng quát: R+ + R/(-)R//(+) R/ R + R//+ Thí dụ: CH3 I + CH3 Na CH3 ... CH3 Na ... I + + - - CH3 CH3 NaI + 4.3.3. Phản ứng thế ái nhân vào nguyên tử C no Phản ứng thế ái nhân chủ yếu tập trung vào nguyên tử C bão hoà và phản ứng thế H ở nhân benzen nghèo điện tử. Sơ đồ chung: R(-) (R:) + R/ - R// R// R + R/(-) (R/:) Với R (-) (R:): là các anion, các hợp chất có cặp điện tử tự do (:) như Cl-, Br-, I-, OH-, RO-, RS-, CN-, ROH, RCOO-, NH3, RNH2. Còn R/ - R// là các ankyl halogen, rượu, ete, este, hợp chất diazo, các ankyl sunphat. Thí dụ: CH3 CH2 CH2 Cl + OH- CH3 CH2 CH2 OH + Cl- C2H5 O C2H5 + HBr C2H5OH + C2H5Br c) Phản ứng thế theo cơ chế nucleophin (SN) Phản ứng thế nucleophin có hai cơ chế: cơ chế đơn phân tử ( 1NS ) và lưỡng phân tử ( 2 NS ). Phản ứng thế đơn phân tử ( 1NS ) Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 36 Thí dụ: CH3 C Cl + OH CH3 CH3 - CH3 C OH + Cl CH3 CH3 - Cơ chế: CH3 C Cl CH3 CH3 CH3 C + Cl CH3 CH3 -+ - +cham CH3CH3 CH3 C CH3 CH3 + -+ nhanh CH3 C + OH nhanh CH3 CH3 CH3 CHO CH3 C OH CH3 CH3 Giai đoạn đầu là giai đoạn ion hóa tạo ra ion, giai đoạn này thường chậm, cho nên tốc độ ion hoá cũng là tốc độ của phản ứng. Giai đoạn hai có tính chất ion tương tác nên được thực hiên nhanh. Trước khi thực hiện giai đoạn hai ion cacboni ở trung tâm sẽ chuyển từ trạng thái tứ diện sang trạng thái mặt phẳng bền hơn. Nhờ vậy nhóm OH có xác suất tấn công vào hai phía như nhau. Phản ứng thế lưỡng phân tử ( 2NS ) Thí dụ: CH3 Cl + OH- CH3OH + Cl- Cơ chế: HH +- H COH + H H H CHOH C Cl H H +- HO- Cl- + Cl- (TTCT ) Giai đoạn chậm nhất là giai đoạn tạo thành TTCT có sự tham gia của CH3Cl và ion OH-. Theo thuyết TTCT, ba trung tâm phản ứng OH, C và Cl ở TTCT phải nằm trên một đường thẳng. Đó là điều kiện đảm bảo năng lượng tiêu tốn cho phản ứng cực tiểu. Khi liên kết OH và C đạt đến hàng rào năng lượng chuyển tiếp thì Cl tách ra khỏi C. 4.4. Phản ứng tách loại trong hoá học hữu cơ 4.4.1. Khái niệm Phản ứng tách loại kí hiệu bằng chữ E (xuất phát từ Elimination có nghĩa là sự tách bỏ) là phản ứng làm cho hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách ra khỏi một phân tử mà không có nguyên tử hay nhóm nguyên tử nào thay thế vào. Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 37 Thí dụ: CH3 CH3 CH2 = CH2 + H2 C2H5OH CH2 = CH2 + H2O Crackinh thực chất là phản ứng tách loại. Phản ứng tách loại có thể xảy ra với hai nhóm tách ra ở cùng một nguyên tử C hoặc khác nguyên tử C. Sản phẩm tách loại có thế là hợp chất không no, hoặc hợp chất vòng. Trong phản ứng đóng vòng có phản ứng đóng vòng kiểu Dikman (hai nhóm tách loại không cạnh tranh) Trong phản ứng đóng vòng thường thực hiên bằng sự tách loại, nhưng cơ chế phản ứng tách loại kiểu đóng vòng nhiều trường hợp theo cơ chế thế nội phân tử. Các phản ứng đóng vòng thường gặp: CH2Br CH2 CH2Br + 2Na CH2 CH2 CH2 + 2NaBr (or: Zn/ROH) 1,3-dibrom propan Xyclo propan Đóng vòng tạo nhóm êpoxy: + HClCH2 CH CH2 Cl OH OH CH2 CH CH2 O OH ..... Phản ứng tách loại có giá trị là phản ứng tách loại tạo ra olefin, ankin. Đây là phần chính của chương trình. Trước hết dẫn chứng một số phản ứng tách loại tạo ra nối đôi thường gặp trong hoá hữu cơ. R CH CH2 R CH CH2 + HX H X R CH CH2 R CH CH2 + H2O H OH H+ R CH CH2 R CH CH2 + H2SO4 H OSO3H +H2O 4.4.2. Cơ chế phản ứng tách loại a) Phản ứng tách loại đơn phân tử (E1) Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 38 CH3 CH2 C Cl CH3 CH3 cham CH3 CH2 C Cl CH3 CH3 + -+ CH3 CH C CH3 + H CH3 + CH3 CH2 C CH3 CH3 + nhanh CH3 C OH + H CH3 C O CH3 CH3 cham CH3 CH3 +CH3 C CH2 + H CH3 + CH3 CH3 + - nhanh H H + CH3 C + H2O nhanh Hai phản ứng trên viết theo cơ chế loại đơn phân tử. Giai đoạn tạo ra cation cacboni là giai đoạn chậm nhất, nên đó là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng. Vai trò của dung môi phân cực đối với phản ứng tách loại là sonvat hoá, tạo khả năng cho chất phân ly ra ion. Dung môi càng phân cực, phản ứng tách loại E1 xảy ra nhanh và thuận lợi. b) Cơ chế phản ứng tách loại lưỡng phân tử Giống như phản ứng thế 2NS , phản ứng tách loại E2 cũng trải qua giai đoạn tạo thành trạng thái chuyển tiếp. HO ... H ... C C ... Cl- + R CH CH2 + Cl HO + R CH2 CH2 Cl H R - H H (TTCT) -H2O - Theo chơ chế tách loại trên H+ và Cl- tách ra cùng một lúc. Thực nghiệm đã xác nhận tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tác nhân tách loại (OH-). Phản ứng tách loại E2 không những phụ thuộc vào nồng độ tác nhân ái nhân mà còn phụ thuộc vào sức ái nhân và độ bazơ của nó, ... Nồng độ tăng lên, tính bazơ tăng lên phản ứng tách loại E2 xảy ra càng nhanh. Phản ứng tách loại E2 rõ ràng theo cơ chế còn phụ thuộc vào cấu trúc phân tử chất tách loại. Yếu tố cấu trúc ở đây chủ yếu phụ thuộc vào bậc C có H tách loại ra. Bậc C càng lớn ảnh hưởng yếu tố không gian càng mạnh, tác nhân ái nhân càng khó tiếp cận H+, khó hình thành trạng Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 39 thái chuyển tiếp. Hướng tách loại E2 bị hạn chế hoặc thay đổi. Các tác nhân ái nhân thường gặp trong phản ứng tách loại E2: H2O, CH3COO-, C6H5O-, OH-, CH3O-, NH2-, CO32-. Trong đó tác nhân bazơ mạnh RO-, OH-, NH2- dễ dàng loại proton cho phản ứng E2. Các nhóm chức trong phân tử tách loại có khả năng tách theo E2: R3N+, R3P+, R3S+, -SO2R, X-, OSO2R, RCOO-. Trong đó dễ tách nhất là R3N+, R3P+, R3S+ còn X- cần tác nhân bazơ mạnh mới tách được. 4.4.3. Sự cạnh tranh phản ứng tách loại và thế Cơ chế phản ứng thế và tách loại có những điểm giống nhau. Trong phản ứng thế bao giờ cũng kèm theo phản ứng tách loại và ngược lại. Tỷ lệ sản phẩm thế và tách loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Phản ứng thế đơn phân tử SN1 và tách loại đơn phân tử E1 đều qua giai đoạn tạo thành ion cacboni. Khi tăng nhóm thế ankyl sẽ tăng khả năng tách loại E1 hơn thế SN1. R CH2 CH2 X < R CH2 CHR1 X < R CH2 CR1R2 X Đối với phản ứng tách loại theo cơ chế SN2 và E2 cũng vậy, việc tăng nhóm thế ankyl sẽ tăng phản ứng E2 hơn SN2. 4.5. Phản ứng cộng hợp trong hoá học hữu cơ 4.5.1. Khái niệm Phản ứng cộng được kí hiệu là bằng chữ A (xuất phát từ Addition có nghĩa là sự công hợp) là phản ứng trong đó có hai phân tử kết hợp với nhau tạo thành phân tử mới. Phản ứng trùng hợp có bản chất là phản ứng cộng hợp nhiều lần. Trong phản ứng hữu cơ thường gặp các dạng phản ứng cộng hợp sau: R CH = CH2 + Cl2 R CHCl CH2Cl R C CH + 2Cl2 R CCl2 CHCl2 R C H O NaHSO3 CH3 C SO3H H ONa + +CH3 CH CH2 O OH NH2 NH3 CH3 CH CH2 Liên kết pi là liên kết giàu năng lượng, có khả năng phản ứng khá mạnh dưới tác dụng môi trường bên ngoài hoặc do các hiệu ứng nội phân tử. Các nhóm thế gây hiệu ứng điện tử làm giảm hoặc tăng mật độ điện tử ở liên kết pi dẫn đến sự tăng phân cực của nó. Trường hợp các hiệu ứng làm tăng mật độ điện tử ở liên kết pi, liên kết pi sẽ tăng hoạt hoá để tác dụng với nhiều ái nhân ái điện tử. Trường hợp này chính điện tử pi là tác nhân ái nhân, một bazơ mạnh. Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 40 Trong trường hợp ngược lại nhóm thế gây hiệu ứng làm giảm mật độ điện tử pi ở liên kết pi thì khả năng cộng hợp ái điện tử sẽ giảm, có xu hướng cộng hợp ái nhân. Riêng liên kết ba như axetylen có khả năng cộng hợp ái nhân lẫn ái điện tử. Một số tác nhân ái nhân mạnh RO-, RCOO- trong môi trường bazơ, axetylen cộng hợp ái nhân. Phản ứng cộng hợp có 3 cơ chế: cộng hợp ái nhân, ái điên tử và gốc tự do. 4.5.2. Cơ chế của phản ứng cộng hợp a) Phản ứng cộng hợp ái điện tử vào liên kết đôi C = C Thí dụ: CH2 CH2 + Cl Cl CH2 CH2 CH2 CH2 nhanh Cl+ Cl- Cl + +cham + Cl- CH2 CH2 Cl + Cl- CH2 CH2 Cl Cl Phản ứng cộng hợp vào nối đôi C = C theo cơ chế ái điện tử cần phải có mặt của dung môi phân cực hoặc xúc tác như xúc tác Lewis để làm cho liên kết pi dễ phân cực và tác nhân cộng hợp phân cực (Cl2). Nhờ sự phân cực trước nên gai đoạn tạo phức π nhanh. Quá trình phức π phá vỡ liên kết π tạo ra ion là quá trình khó và chậm. Vì vậy tốc độ phản ứng cộng hợp được xác định là gia đoạn phá vỡ liên kết pi tạo ra ion. Hơn nữa tác nhân ái điện tử sẽ cộng hợp vào trước và được cộng hợp vào giai đoạn quyết định này. Cho nên phản ứng cộng hợp vào nối đôi C = C là phản ứng cộng hợp ái điện tử. Cơ chế phản ứng: cơ chế AE +- cham + Y- X nhanh C C + X+ Y - + C C + Y- X + C C X C C Y b) Phản ứng cộng hợp ái nhân vào liên kết đôi C = O Nhóm cacbonyl có khả năng cộng hợp rất nhiều chất (H2, HCN, NaHSO3, H2O, NH2-OH, R- MgX, ...). Khả năng cộng hợp được nhiều của nhóm cacbonyl là do nguyên tử O có độ âm điện lớn làm cho liên kết pi bị phân cực mạnh về phía O C O + - phức π Chương 4: Phản ứng hữu cơ Trang 41 Tạo ra hai trung tâm: 1 trung tâm dương (Cδ+) và một trung tâm âm (Oδ-). Trung tâm dương sẽ tương tác với tác nhân ái nhân, trung tâm âm sẽ tương tác với tác nhân ái điện tử. Trong phản các ứng hoá học trung tâm dương có vai trò quyết định cho giai đoạn đầu của cộng hợp ái nhân. Cơ chế phản ứng: cơ chế AN nhanh cham + X+C O O- + X+ Y - + - R1 R2 C R1 R2 Y + X+ O- C R1 R2 Y OX C R1 R2 Y Thí dụ: nhanh cham + H+C O O- + H+ CN-- CH3 H C CN OH C CN CH3 H + H+ O- C CN CH3 H CH3 H BÀI TẬP 4.1. Cơ chế phản ứng là gì? Hãy minh hoạ bằng cơ chế phản ứng sau: a) CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl b) CH2 = CH2 + Br2 CH2Br - CH2Br c) CH2 = CH2 + HBr CH3 - CH2Br d) CH3 CHO + NaHSO3 ?