Giáo trình hóa hữu cơ (tái bản lần thứ hai) phần 2

Dẫn xuất halogen thơm và dẫn xuất halogen không no, trong đó nguyên tử halogen liên kết trưc tiếp với liên kết đôi c = c có hoạt tín h kém, thường ít được chú ý đến ơ đây chỉ tập trung n

Chương 9

CÁC DẪN XUẤT HALOGEN VÀ HỢP CHẤT Cơ MAGNESIUM

9.1 CẤU TẠO CHUNG

Khi th a y t h ế m ột h ay nhiều nguyên tử hydrogen tro n g p h ân tử hydrocarbon b ằn g các nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I), sẽ th u dược các dẫn xuất halogen tương ứng Tùy theo cấu tạo của gốc hydrocarbon, dẫn xuất halogen có th ể được chia th à n h :

- D ẫn xuất halogen no (nguyên tử halogen liên k ế t với gốc hydrocarbon no), ví dụ: CH3 - CH2 - CH2 - C1

- D ẫn xuất halogen không no (nguyên tử halogen liên k ế t với gốc hydrocarbon không no), ví dụ: CH2 = CH - C1

-D ẫ n xuất halogen ‘thơm (nguyên tử halogen liên k ế t với góc

Ngoài ra , tùy theo sô" nguyên tử halogen có tro n g p h ân tử, dẫn xuất halogen có th ể được chia th à n h dẫn xuất m onohalogen (ví dụ CH3CI), dẫn xuất dihalogen (ví dụ (CH2CI2), dẫn xuất trih alo g en (ví dụ CHCI3), và dẫn xuất polyhalogén (trong p h ân tử chứa nhiều hơn ba nguyên tử halogen) Dựa vào bậc của nguyên tử carbon liên k ế t với nguyên tử halogen, sẽ có dẫn xuất halogen bậc m ột (ví dụ CH3CH2CI), dẫn x u ất halogen bậc hai (ví dụ CH3CHCICH3), d ẫn xuất halogen bậc

ba (ví dụ (CH3)3CC1)

Dẫn xuất halogen thơm và dẫn xuất halogen không no, trong đó nguyên tử halogen liên kết trưc tiếp với liên kết đôi c = c có hoạt tín h kém, thường ít được chú ý đến ơ đây chỉ tập trung nghiên cứu các dẫn

C1

° A c d ẫ n x u ấ t h a l o g e n v à h ợ p c h ấ t c ơ m a g n e s i u m 327

halogen no là alkyl halide (alkyl halogenua) Liên k ế t C-X (X: al°gen) được h ìn h th à n h do sự xen phủ giữa m ột orbital lai hóa sp3 của

a gUyên tử carbon với m ột orbital lai hóa sp3 của nguyên tử halogen* Do

độ điện tử của các orbital giảm khi kích thước orbital tăng, liên k ế t trở nên dài hơn và yếu hơn khi đi từ C-F đến C-I Sự h ìn h th à n h kết, độ dài liên kết, và năng lượng liên k ế t của các dẫn xuất

^O nohalogen của m ethane được giới thiệu ở h ìn h 9.1 dưới đây

J

H C - F ,, yc

H1

H „ ỏ 1,39 Ả H

H ì n h 9.1 S ự h ìn h th à n h liên kết, độ dài liên kết,

năng lượng liên kết của các CH3X

9.2 DANH PHÁP

9.2.1 T ê n th ô n g th ư ờ n g

T ên th ô n g thường của dẫn xuất alkyl h alid e (alkyl halogenua) được đ ặ t tê n gốc alkyl (liên k ế t trực tiế p với nguyên tử halogen) di trước tiế p vĩ ngữ ‘halide (halogenua)’ T ên th ô n g thư ờ ng chỉ được sử dụng tro n g trư ờng hợp các dẫn xuất alkyl h alid e (halogenua) dơn giản

Ví dụ:

n-butyl bromide (bromua) isopropyl chloride (cloruaì benzyl chloride (cloruaì

Một số tê n thông thường của dẫn xuất halogen được IUPAC sữ dụng, ví dụ: fluoroform (CHCF3), chloroform (CHCI3), bromoform (CHBr3), iodoform (CHI3), carbon tetrachloride (CCI4)

9.2.2 T ênlU PA C

Theo cách gọi tê n IUPAC, halogen được xem là nhóm th ế halo (fluoro, chloro, bròmo, iodo) gắn vào m ạch carbon Theo cách gọi tên như vậy, các dẫn xuất alkyl halide (halogenua) sẽ có tên IUPAC là

haloalkane Các nguyên tắc gọi tên IUPAC trong trường hợp này cũng

tương tự như trường hợp gọi tên IUPAC của alkane, alkene hoặc alkyne đã trìn h bày:

- Chọn mạch carbon dài n h ất có chứa nguyên tử halogen làm mạch chính

- Đ ánh sô th ứ tự sao cho nhóm th ế có chỉ sô nhỏ n h ất, b ấ t kế đó

là nhóm th ế halo- hay

alkyl Khi có nhiều nhóm thê giông nhau: dùng các tiếp đầu ngữ dialkyl ,

trì-, tetra- đế chỉ sô' lượng nhóm th ế

- Nếu có nhiều nhóm th ế halo- khác nhau, sắp xếp các nhóm th ế theo th ứ tự của bảng chữ cái

- Nếu m ạch chính có th ể đánh sô từ hai đầu, ưu tiên nhóm thê đứng trước theo th ứ tự của bảng chữ cái

4-bromo-2.4-dini ethvĩhexane 2-broni 0-3-ch loro-2.3-dimethyl butane

th à n h alkane ban đầu P h án ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do, bao gồm ba giai đoạn: khơi mào, p h át triể n m ạch, và n gắt m ạch, tương tự

như những ph ản ứng theo cơ chế gốc tự do khác

Mặc dù ph ản ứng chlor hóa có tốc độ lớn hơn p h ả n ứ n g brom hóa, phản ứng brom hóa luôn luôn có tín h chọn lọc tố t hơn Thực nghiệm cho th ấy cả hai phản ứng đều cho m ột hỗn hợp các sản phấm với tỷ lệ khác nhau Tuy nhiên, trong hỗn hợp sản phẩm của phản ứng chlor hóa, không có đồng phân nào vượt trội h ẩ n so với các đồng phân khác Ngược lại, trong hỗn hợp sản phẩm của ph ản ứng brom hóa, có một đồng phân chiếm tỷ lệ lớn, khoảng 97 -f 99%, nên có thô coi đó là sản phâm chính của phản ứng C h ẳn g h ạn p h án ứng giừa isobutene vả Cl2 CỈ10 hai sản phẩm với tý lệ như sau: l-chloro-2-

m ethylpropane (isobutyl chloride) chiếm tỷ lệ 64%, 2-chloro-2-

m ethylpropane ơ<?r/-butyl chloride) chiếm tỷ lệ 36% Trong khi đó phản ứng với B r2 sè cho trê n 99% sản phẩm là 2-bromo-2-

m ethylpropane Ue/Y-butyl bromide)

C H

1 CH -C-CTI 1

> 99%

< 1%

CH3CH2CH3 + Cl2 25°c

hv C H 3 C H 2 C H 2 - C 1 + C H 3 C H C H 3

45%

C155%

liên k ế t đôi c = c rấ t m ãnh liệt, thường đưa đến sự cắt m ạch carbon,

nên không được sử dụng trực tiếp I2 tham gia phản ứng cộng hợp vào alkene r ấ t chậm , các sản phẩm 1,2-diiodide thường không bền, dễ bị tách loại iodine tạo alkene ban đầu

CH CH = CHCHfCH, >2 — — - CH2CH - CHCH(CH,■)„

Br Br

P h ản ứng cộng hợp halogen vào liên k ết đôi c = c xảy ra theo cơ

chế cộng hợp ái điện tử thông thường như trên Dung môi cũng có thế đóng vai trò làm tác nhân ái nhân, tấn công vào cation vòng trung gian đê tạo ra các sản phâm cộng hợp tương ứng Ví dụ phản ứng cộng hợp B r2 vào ethylene nếu tiến hành trong các dung môi như H20 , CH3OH, CH3COOH thì sản phẩm chính cua phản ứng không phải là 1,2-dibrom oethane mà lần lượt là 2-brom oetn'inol, l-brom o-2-

m ethoxyethane, 2-bromoethy] acetate Cần lưu V la r-8c dung môi như

° Á C DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ HỢP CHẤT c ơ MAGNESIUM 331

^ 20, CH3OH, CH3COOH không tham gia p h ản ứng cộng hợp ái điện

tft vào liên k ế t đôi c = c nếu không có xúc tác th ích hợp.

Các hydrogen halide (hydro halogenua) như HCl, HBr, HI (HX) có

th ể th am gia p h ản ứng cộng hợp ái diện tử vào liên k ế t đôi c = c tạo

th à n h các d ẫn xuất alkyl halide (alkyl halogenua) tương ứng P h ả n ứng được thực h iệ n bằng cách cho hơi HC1, H B r h ay H I k h a n nước đi trực tiế p vào alkene Trong m ột số trường hợp, có th ể dùng dung môi

p h ầ n cực như CH3COOH để hòa ta n cả hydrogen halide p h â n cực và nlkene không p h â n cực Các dung dịch hydrogen halide tro n g H 2O không được sử dụng dể tr á n h p h ản ứng cộng hợp nước vào alkene tạo sản phẩm phụ Cả bôn hydrogen halide HF, HCl, H B r, HI (HX) đều

có k h ả n ăn g th am gia p h ản ứng cộng hợp với các alkene P h ả n ứng

diễn ra theo cơ chế cộng hợp ái điện tử vào liên k ế t đôi c = c th ô n g

thường P h ả n ứng xảy ra theo hướng tạo th à n h carbocation tru n g gian bền hơn Ví dụ trong các phản ứng cộng hợp HC1 vào isobutylene hay 2-m ethyl-2-butene dưới đây, phản ứng xảy ra theo hướng tạo th à n h các carbocation tru n g gian bậc 3 bền hơn do tác dụng của các hiệu ứng siêu Hên hợp dương (+H) và hiệu ứng cảm ứng dương (+1)

CH3

CH3—C = CH2

ÇH3

TCH,— C —CH,

Tương tự như alkene,.các alkyne có khả năng tham gia phản ứnẽ

cộng với CI2 hay Bi'2 P hản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái điện tử thông thường, đi qua giai đoạn tạo carbocation trung gian bền nhất

P hản ứng cộng hợp CI2 hay Br-2 vào alkyne thường được thực hiện trong dung môi CH2CI2 hay CCI4 Hai nguyên tử halogen tấ n công vào hai phía khác nhau của liên kết đôi (phản ứng cộng hợp theo kiểu

trans-), do đó thu được sản phẩm trung gian là (rans-alkene Khi sử

dụng m ột lượng dư halogen, phản ứng cộng hợp lần thứ 2 xảy ra, thu được dẫn xuất tetrahalogen cúa alkane tương ứng

th êm xúc tác, tuy nhiỏn tốc độ phán ứng rá t chậm Khi có m ặt xúc tác, ví dụ như bột sát, tốc độ phan ứng tă n g lên r ấ t nhiều lần T hạt

ra s ắ t không phải là xúc tác cho phán ứng này, mà muôi FeCl3 hay FeB r3 được sin h ra do phan ứng giừa CL hay B r2 với sắt, mới là xúc tác th ậ t sự cho p h án ứng này Dưới tác dụng cua xúc tác lcà Ccấc Lewis acid n hư FeC l3, F eB r3, ZnCL SnClj phân tử halogen bị phân cực

m ạn h tạo ra các tác nhân ái điện tử m ạnh hơn, tấ n công vào nhân thơm dễ dàng hơn

Br

Nếu thực hiện phan ứng ơ nh iệt độ cao hoặc trong ánh sáng tu ngoại thì xáv ra phan ứng thê vào gốc alkyl theo cơ chê gôc tự*do

CÁC DẪN X U ẤT HALOGEN VÀ HỌ'P c h ấ t c ơ MAGNESIUM 333

* ương tự như phán ứng halogen hóa alkane, p h ả n ứng halogen hóa

m ạch n h á n h của các dẫn xuất alkylbenzene cũng có k h ả n ă n g h ìn h

th à n h sản phẩm th ế nhiều lần dichloro, trichloro ngoài sản p h ẩm th ế tnột lần Ví dụ toluene có thế th am gia p h ản ứng với CỈ2 ở n h iệ t dộ cao hay trong án h sáng tử ngoại đế cho ra các sản phẩm benzyl chloride (th ế m ột lần), benzal chloride (th ế hai lần), benzotrichloride (th ế ba lần)

n h â n h ú t nước từ p h ản ứng K hả n ăn g p h ả n ứng của các hydrogen halide giảm dần: HI > HBr > HC1 HC1 chỉ th am gia p h á n ứng khi có

Để n ân g cao hiệu suất phản ứng cũng như để trá n h khả năng xảy ra sự chuyển vị khung carbon, người ta sử dụng các tác n h ân n h b PC13, PCI5, SOCl2 Các phản ứng này thường được thực hiện trong dung môi là pyridine Pyridine còn đóng vai trò là m ột base, trung hòa HC1, H B r sin h ra, trá n h xảy ra phản ứng chuyển vị Ngoài ra, pyridine là m ột tác n h ân ái n h ân yếu, không tham gia phản ứng th ế

và muôi diazonium thơm tương ứng P h ản ứng giữa muôi diazonium và

KI được xem là phương pháp chuẩn để điều chế C6H5I và dẫn xuất từ benzene cũng như từ các hợp chất hydrocarbon thơm khác Thông thường, dung dịch KI được cho vào dung dịch muôi diazonium, sau đó

hỗn hợp được đưa về n h iệt độ phòng hoặc gia n h iệ t th êm để tăn g tốc

độ p h ản ứng

81%

CÁC DẪN X U ẤT HALOGEN VÀ HỢP c h ấ t c ơ MAGNESIUM 335

Trong trường hợp điều chế các hợp c h ất chloroarene hoặc chlorobenzene, không th ể sử dụng KC1 hay KBr m à p h ải sử dụng muối CuCl hoặc CuBr P h ả n ứng này được gọi là p h ản ứng Sandm eyer

P h ả n ứng Sandm ayer được cho là xảy r a theo cơ chế gốc tự do, đi qua giai đoạn h ìn h th à n h gốc tự do C6H 5(,) dưới tác dụng của Cu (I) Thông thường, acid HX dùng tro n g giai đoạn diazo hóa am ine v à muối CuX

có cùng gốc halogen, để h ạ n chế việc h ìn h th à n h các sản phẩm phụ tương ứng

NH2

H200-5°C

N2 Br'

CuBr100°c

th à n h fluoroarene P h ả n ứng có tê n gọi là S ch iem an n Tương tự, có

th ể diều chê d ẫ n x u ất íluoroarene th ô n g qua m uối diazonium hex aflu o ro p h o sp h ate A rN 2+P F 6'

9.4 TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Các dẫn xuất halogen thường có n h iệ t độ sôi cao hơn các alkane tương ứng có cùng bộ khung carbon, do các dẫn xuất halogen có trọng lượng p h ân tử lớn hơn và là những hợp ch ất phân cực Khi có cùng một gốc hydrocarbon, n h iệ t dộ sôi của dẫn xuất halogen tă n g từ RF đến RI Mặc dù là những hợp chất p h ân cực, các dẫn xuất halogen lại không ta n tro n g nước, do không tạo được liên h ế t hydrogen với nước Các dẫn xuất halogen ta n được tro n g nhiều dung môi hữu cơ như benzene, ether, chloroform B ảng 9.1 dưới đây giới thiệu m ột số thông số v ậ t lý của các dẫn xuất halogen thường gặp

B ả n g 9.1 M ột s ố thông s ố vật lý của CỚJC dẫn xuất halogen thường gặp

tử dùng chung cua liên k ết bị lệch về phía nguyên tử halogen K ết quả

là m ật độ điện tứ ờ nguyên tử carbon giảm xuống, còn m ật độ điện tứ

ờ nguyên tứ halogen tăn g lên Ví dụ đối với dẫn xuất alkyl chloride (clorba):

<5+

ổ-K —CH, - CH, ►Cl

Do đó, k h ác với alkane, d ẫn x u ất halogen có h o ạ t tín h cao, do đó được sử dụng là m sả n p h ẩm trụ n g gian cho n h iều quá tr ìn h tổ n g hợp hữu cơ H o ạt tín h của các d ẫn xuất halogen phụ thuộc vào b ả n ch ất nguyên tử h alo g én cũng n h ư cấu tạo của gốc hydrocarbon liên k ế t với nguyên tử halogen N ếu gốc hydrọcarbon giôhg nh au , k h ả n ă n g th a m gia p h ả n ứng của các d ẫn xuất halogen tă n g dần th eo t r ậ t tự: R - F <

R -C l < R -B r < R - I N guyên n h â n của điều n ày là do sự k h ác b iệ t về

độ p h â n cực của liên k ế t C -X Độ p h â n cực của liên k ế t C—X phụ thuộc vào độ âm điện và b á n k ín h nguyên tử halogen B án k ín h nguyên tử h alo g en càng lớn th ì liên k ế t C—X càng dễ bị p h â n cực

K hả n ă n g th a m gia p h ản ứng của các d ẫn xuất halogen phụ thuộc n h iều vào cấu tạo của gốc hydrocarbon Dựa tr ê n k h ả n ă n g h oạt động, các d ẫ n x u ất halogen được chia th à n h ba nhóm :

- N hóm d ẫn xuất halogen h o ạt động m ạn h n h ất: đó là các dẫn xuất halogen bậc ba, hoặc dẫn xuất halogen m à nhóm C -X liên k ế t với nhóm vinyl h ay aryl Trong những trường hợp này, carbocation tru n g gian h ìn h th à n h tro n g quá trìn h p h ản ứng sẽ bền n h ấ t so với những trường hợp khác Ví dụ:

- N hóm d ẫn xuất halogen h o ạt dộng yếu hơn nhóm ở trên : đó là các dẫn xuất halogen bậc một, ví dụ: CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - Br; hoặc là các dẫn xuất halogen không no tro n g đó nhóm không no nằm

xa nguyên tử halogen, ví dụ: CH3 - CH = CH - CH 2 - CH2 - Br

CÁC DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ HỢP CHẤT c ơ MAGNESIUM 339

- Nhóm h o ạt động yếu nhất: đó là các dẫn xuất halogen tro n g đó nguyên tử halogen liên k ế t trực tiếp với liên k ế t đôi, liên k ế t bá, hoặc

là vòng thơm Trong trường hợp này, hiệu ứng liên hợp giữa đôi điện tử

tự do trê n nguyên tủ' halogen và các liên k ế t đôi c = c làm bền hóa liên

Các d ẫn xuất alkyl halide (halogenua) có th ể th a m gia p h ả n ứng

th ế với nhiều tác n h â n khác nhau Đó là các tác n h â n m an g điện tích

âm , hoặc có chứa nguyên tử tru n g hòa còn đôi điện tử tự do có k h ả

n ă n g tấ n công vào các tru n g tâm m ang điện tíc h dương Ví dụ các tác

n h â n ái n h â n như RO", OH", RCOO", N H 3, N H 2R, H 2O, ROH đều có

k h ả n ă n g th a m gia p h ản ứng th ế nguyên tử h alogen tro n g các dẫn xuất alkyl h alid e (halogenua) P h ả n ứng th ế ái n h â n có th ế xảy ra theo cơ ch ế đơn p h â n tử hoặc lưỡng p h â n tử, tùy thuộc vào cấu tạo của gốc hydrocarbon, b ản c h ất của tác n h â n ái n h â n , cũng n h ư dung môi

sử dụng cho p h ản ứiig

- P hản ứng th ế ái nhân lưỡng p h â n tử (S N2): cơ chê p h ả n ứng

S n 2 có th ể được tóm t ắ t như sau:

y - + R - X Chậm» [yà R X8 J Nhanh» R-y + X '

Trạng thái chuyển tiếpGiai đoạn chậm n h ấ t (giai đoạn quyết địn h tốc độ p h ản ứng) có

sự th a m gia đồng thời của dẫn xuất halogen và tác n h â n ái n h ân , ơ trạ n g th á i chuyến tiếp, ba tru n g tâm y, X, và nguyên tử carbon liên

k ế t trực tiếp với halogen nằm tro n g cùng m ột đường th ẳ n g đê bảo đảm mức n ăn g lượng th ấ p n h ất Liên k ế t C -y được h ìn h th à n h đồng

thời yới sự yếu đi và đứt liên k ết C-X Hai liên k ế t C -y và C—X đểu là những liên k ế t yêu và chưa hoàn chỉnh ỏ' trạ n g th á i chuyến tiếp Tiếp theo là giai đoạn h ìn h th à n h liên k ế t C -y cùng với việc giải phóng anion halide (halogenua) X \

Nếu tác n h â n ái n h ân y- không dư nhiều, phản ứng Sn2 tuân theo phương trìn h tốc độ phản ứng bậc hai: r = A[y"|.[R - XI c ầ n lưu

ý khái niệm ‘p h ản ứng bậc h a i’ và khái niệm ‘p h ản ứng lưỡng phân tử’

có ý nghĩa hoàn to àn khác nhau Khái niệm ‘phản ứng lưỡng p h ận tử’

là m ột k h ái niệm lý thuyết, có ý nghĩa tro n g gian đoạn chậm của quá trìn h p h ả n ứng có sự th am gia đồng thời của cả dẫn xuất halogen và tác n h â n ái n h ân K hái niệm ‘phản ứng bậc h a i’ có ý nghĩa chỉ tốc độ của p h ản ứng, được xác định bằng thực nghiệm

Nếu nguyên tử carbon liên k ế t trực tiếp với nguyên tử halogen

có tín h b ấ t đôi xứng, p h ản ứng th ế Sn2 xảy ra kèm theo sự th a y đối

câu h ìn h p h â n tử ban đầu, gọi là sự nghịch đảo W alden (Walden

inversion) N guyên n h ân của điều này là do đế h ìn h th à n h liên k ết

C-y, tác n h â n ái n h â n y~ phải tấ n công vào phía đối diện với nguyên

tứ halogen, do ả n h hương của hiệu ứng k hông gian cũng như do cá

hai tác n h â n y ' và X đều m ang điện tích cùng dâu K ết quá là câu

h ìn h b an đầu bị th a y đổi Ví dụ p h ản ứng thủy p h ân (S)-2-

brom obutane theo cơ ch ế Sn-2 sè cho sản phám chính là (R)-2-

butanol, có câu h ìn h không gian ngược với nguyên liệu ban đầu

- Phún ứng the ái ììììân dơìì phùn tù (S\-l): cơ chê phan ứng Sxl

cỏ thô được tóm tắ t như sau:

R - X C h ậ m R♦ + X

Y ■

CÁC DẪN X U ẤT HALOGEN VÀ HỢP c h ấ t c ơ MAGNESIUM

ơ giai đoạn chậm n h ấ t (giai đoạn quyết đ ịn h tốc độ p h ả n ứng) không có sự th a m gia của tác n h ân ái n h ân Giai đoạn, chậm n h ấ t là giai đoạn ion hóa, h ìn h th à n h carbocation tru n g gian có cấu trúc

p h ẳn g (hoặc gần phẳng) Tiếp theo là giai đoạn tấ n công của tác n h â n

ái n h â n vào tru n g tâ m tích điện dương Giai đoạn này xảy ra n h a n h , không quyết định tốc độ phản ứng Các p h ản ứng S n I thường tu ân theo phương trìn h tốc độ phản ứng bậc một: r = k[R-X] Tốc độ p h ản ứng chĩ phụ thuộc vào nồng độ của dẫn xuất halogen m à k hông phụ thuộc vào nồng độ của tác n h ân ái nh ân , c ầ n lưu ý hai k h á i niệm

‘p h ản ứng đơn p h â n tử ’ và ‘p h ản ứng bậc m ộ t’ có ý n g h ĩa hoàn to à n khác nhau

Trong trường hợp nguyên tử carbon liên k ế t với nguyên tu halogen có tín h b ấ t đôi xứng, p h ản ứng SnI xảy r a sẽ cho k hoảng 50% sản phẩm có cấu h ìn h giống với cấu h ìn h của nguyên liệu ban đầu, và khoảng 50% sản phẩm có cấu h ìn h ngược lại N guyên n h â n của điều này là do carbocation tru n g gian ở trạ n g th á i lai họa sp2 có cấu trúc phẳng, do đó tác n h â n ái n h â n có k h ả n ăn g tấ n công vào cả h ai p hía của carbocation với xác su ất như nhau K ết quả sả n p h ẩm có k h ả n ăn g

là m ột hỗn hợp raceinic Ví dụ phản ứng th ủ y p h â n (S)-2-brom obutane

theo cơ ch ế SnI sẽ cho hỗn hợp sản phẩm là CR)-2-butanol (có cấu

h ìn h không gian ngược với nguyên liệu b an đầu), và (S)-2-butanol (có cấu h ìn h không gian giống như nguyên liệu b an đầu)

H " y C ^ C H 3HO

CH,

CH2CH,

*c\ H OH

Tuy n h iên , tro n g thực tế, khi thực h iện p h ả n ứng th ế ái n h â n theo điều kiện SN1, người ta n h ậ n th ấ y lượng sản p h ẩm th a y đổi cấu

h ìn h sẽ nhiều hơn m ột ít so với lượng sản phẩm giữ nguyên cấu hìn h

so với nguyên liệu ban đầu P h ản ứng theo điều kiện S\jl xảy ra sự racem ic hóa và th ay đổi cấu h ìn h m ột phần, phụ thuộc vào độ bền của carbocation tru n g gian Nếu carbocation tru n g gian càng bền, tỷ lộ hỗn hợp racem ic càng cao Trường hợp carbocation kém ben hơn, liên

k ế t C -X chưa h o àn to àn bị bẻ gãy, tác n h â n ái n h â n đã tấ n công vào, quá trìn h sẽ th u ậ n lợi hơn nếu -tác n h â n ái n h â n tấ n công vào phía ngược lại so với nguyên tử halogen Một số giả th iế t cho rằ n g mặc dù

có sự p h â n ly h ìn h th à n h carbocation và anion halide (halogenua), hai

ion n ày v ẫn ở g ần nhau tro n g dung, dịch, và gây r a sự khác b iệt về hai

hướng tấ n công của tác n h â n ái n h ân T rong thực tế, k h i tiế n h àn h

p h ả n ứng th eo điều k iện SnI, khoảng 50-70% sản phẩm sẽ th a y đổi cấu h ìn h so với nguyên liệu b an đầu

P h ả n ứng t h ế ái n h â n của dẫn xuất halogen có th ể xảy ra theo hưđng S n I h ay S n2, tùy thuộc vào cấu tạo của gốc hydrocarbon, bản

c h ấ t của nguyên tử halogen, bản c h ất cũng n h ư nồng độ của tác n h ân

ái n h â n , dung môi sử dụng cho p h ản ứng

- Cấu tạo gốc hydrocarbon: các dẫn xuất alkyl halide (halogenua)

bậc m ột thườ ng xảy r a theo cơ ch ế S n2, các d ẫn xuất bậc ba thường xảy r a th eo cơ ch ế S n I , các d ẫn xuất bậc h ai có th ể xảy ra theo cơ chế

S n I h a y S n2 tùy thuộc vào điều k iện thực h iệ n p h ản ứng R iêng trư ờng hợp gốc hydrocarbon là allyl hoặc benzyl, p h ả n ứng Sfsil và S n2

đều xảy r a dễ dàng Ngược lại, cả p h ản ứng S n I và S n2 đều xảy ra r ấ t khó k h ă n đối với trư ờng hợp gốc hydrocarbon là phenyl (ví dụ chlorobenzene) và vinyl (ví dụ vinyl chloride) Á nh hưởng của cấu tạo gốc alkyl lên hướng của p h ả n ứng th ế ái n h â n của m ột sô" gốc alkyl

đơn g iản được cho ở h ìn h 9.2 dưới đây:

S n2 càng chậm k h i kích thước k h ô n g g ian của n h ó m G càn g lớn

R iêng đối với các d ẫn x u ất allyl v à benzyl th ì k h ả n ă n g th a m gia

p h ả n ứng cả S n I và S n2 tố t hơn n h ữ n g d ẫ n x u ấ t k h á c, do cả carbocation tru n g gian (tro n g p h ả n ứng S n U v à tr ạ n g th á i chuyển tiế p (tro n g p h ả n ứng S n2) đều được ổn đ ịn h bởi h iệu ứng liê n hợp + c của liê n k ế t đôi c = c h ay của vòng b en zen e Ví dụ k h i thự c h iệ n

p h ả n ứng t h ế ái n h â n của các d ẫn x u ất 1-brom obutane, l-b ro m o -2 ,2-

d im e th y lp ro p a n e , 1 -brom o-2-m e th y lb u ta n e , l-b ro m o -3-m e th y lb u ta n e , allyl brom ide với m ột tá c n h â n ái n h â n nào đó Các d ẫ n x u ấ t n à y có

th ể th a m gia p h ả n ứng th eo hướng S n I v à S n2, tù y thuộc vào điều

k iệ n p h ả n ứng cụ th ể Tuy n h iê n , k h i so s á n h tốc dộ của p h ả n ứng riê n g th eo hướng S n2, t r ậ t tự giảm d ầ n k h ả n ă n g th a m g ia p h ả n ứng

S n2 được sắp xếp n h ư dưới đây:

• - Ả n h hưởng của d u n g môi: b ản c h ấ t của dung môi sử dụng tro n g

p h ản ứng th ế ái n h â n có ả n h hưởng n h iều đ ế n tốc độ v à hướng của

p h ản ứng Nếu không có dung môi th ì h ầu n h ư p h ả n ứng t h ế ái n h â n không xảy ra B ằng cách th a y đổi dung m ôi sử dụng, có th ể th a y đổi

cơ ch ế p h ả n ứng từ S n I san g S n 2 và ngược lại P h ả n ứng S n I xảy ra

n h a n h tro n g dung môi p h â n cực có proton n h ư H 20 , alcohol do các dung môi n ày có k h ả n ă n g solvate hóa cả carbocation v à a n io n h alid e tru n g gian T hay dổi độ p h ân cực của dung m ôi sẽ th a y dổi tốc độ

p h ả n ứng S n I- V í dụ tốc độ tương đối của p h ả n ứng SN1 của íerí-butyl

brom ide (brom ua) tro n g dung môi ethanol/nước th a y đổi th eo độ p h â n cực của h ệ dung môi n h ư sau:

B ả n g 9.2 Ả n h hưởng của độ phân cực của dung môi lên

phản ứng S \ ’l của tert-butyl bromide

Các dung môi phân cực không có proton như N ,N -

dim ethylform alm ide (DMF), (CIỈ3)2NCHO, dimethylsulfoxide (DMSO), (CH3)2SO không có khả năng solvate hóa anion halide bằng các liên

k ết hydrogen, không th u ận lợi cho phản ứng S n I, và thường được sử

dụng để nghiên cứu các p h ản ứng S n2 Tùy từng trường hợp cụ th ể mà lựa chọn dung môi không chứa proton hoặc dung môi chứa proton có

độ phân cực thích hợp cho phản ứng th ế ái n h â n nói riêng và phản ứng hữu cơ nói chung Độ phân cực của dung môi hữu cơ được đặc

trư ng bằng h ằn g sô" diện môi (dielectric constant) Một sô" dung môi

thông dụng tro n g tổng hợp hữu cơ cùng với h ằn g sô" điện môi của chúng được giới thiệu ở bảng 9.3

B ả n g 9.3 H ằng sô điện môi của m ột sô dung môi thông dụng

Ị Dung môi không proton

Dung môi có proton

CÂC DAN X U Â T HALOGEN VÀ HOP CHAT CO MAGNESIUM 345

- A n h hiiang cûa tâc nhân âi nhân: P h â n ûfng th e ai n h â n SnI hàu n h u không phu thuôc vào ban c h at và nông dô cüa tâc n h â n âi

n h ân , do giai doan châm quyet dinh toc dô p h ân ûfng không pô sU

th am gia cûa tâc n h â n âi nh ân NgUçfc lai, p h ân ûfng th e âi n h â n Sn2 phu thuôc nhieu vào ban ch at và nông dô cûa tâc n h â n âi n h ân Câc tâc n h â n âi n h â n m an h nhii OH", OR" th u â n loi cho p h â n ûfng Sn2 Thông thUcfng, tln h âi n h â n dông bien vcfi tin h base Vi du t r a t tu giâm dan tin h âi n h ân : N H 2" > C2H50" > CH30 " > OH" > CeH50" > HCO3- > CH3C O O -

Vi du thiic h iên p h ân ûfng th e âi n h â n giûfa (iî)-2-brom opentane

vdi CHsONa ô nông dô cao Do CH3O" co tin h âi n h â n m a n h , phân

ûfng tro n g dieu kiên này chu yeu xây ra theo ccf ehe Sn2 , và kèm theo

su nghich dâo câu h in h cûa nguyên lieu b a n dàu de h in h th à n h sân phâm là (S)-2-m ethoxypentane Tuy n h iê n neu th a y C H 3O N a b an g tâc

n h â n âi n h â n yeu là CH 3OH th i p h ân ûfng k h ô n g xây ra th eo cd ehe

Sn2 n h u trê n duqc Bên canh dö, CH3OH là dung moi p h â n cUc cô proton P h â n ûfng tro n g trUông hçfp n ày së xây r a theo ccf che SnI,

h in h th à n h hôn hçfp racemic (m ot p h ân h ay to à n p h ân ) cûa h ai dông

p h ân (S)-2-m ethoxypentane và CR)-2-methoxypentane

Tuy n h iê n , tro n g cùng m ột p h â n nhóm ch ín h của b ả n g Hệ th ố n g

tu ầ n h o àn , k h i tiế n h à n h p h ả n ứng tro n g các dung m ôi p h â n cực có pro to n , tín h ái n h â n n g h ịch b iến với tín h base Ví dụ tín h base: F" >

c r > B r” > r , tín h ái n h â n : F~ < c r < Br~ < r , tín h ái n h â n : HS~ >

OH~, tín h ái n h â n : C2H 5S ' > C2H 5Ò“ N guyên n h â n của điều n à y là do

tro n g dung m ôi p h â n cực có proton, các an io n có tín h b ase m ạ n h n h ư F~ b ị solvate h ó a m ạ n h Sự bao bọc của các p h â n tử dung môi làm giảm k h ả n ă n g th a m gia p h ả n ứng của F~ T ro n g p h a k h í h a y tro n g các dung-m ôi k h ô n g có k h ả n ă n g solvate hóa, tín h ái n h â n v ẫn đồng

b iến với tín h base: F - > c r > Br" > I-

- Ả n h hưởng của bản chất nguyên tử halogen: P h ả n ứng th ế ái

n h â n của các d ẫ n x u ất halogen, cho dù xảy r a theo cơ ch ế SnI h ay Sn2 đều phụ thuộc vào b ả n c h ấ t của nguyên tử halogen Với cùng m ột gốc alkyl, tốc độ p h ả n ứng th ế ái n h â n giảm d ầ n theo t r ậ t tự: R-I > R-Br

> R-Cl > R-F N guyôn n h â n chủ yếu là do ả n h hưởng của sự p h â n cực

liê n k ế t C-X Người ta có th ể dùng r làm xúc tá c cho p h ả n ứng thủy

p h â n alk y l chloride (clorua) Nếu th ủ y p h â n trự c tiếp, p h ả n ứng xảy ra chậm :

RC1 + H20 Chậĩn ► ROH + H* + c r

K hi có m ặ t xúc tá c I", p h ả n ứng xảy r a n h a n h hơn Do tín h ái

n h â n của 1“ m ạ n h hơn c r , p h ả n ứng th ế nhóm —C1 b ằn g nhóm - I xảy

ra tạ o th à n h d ẫn x u ất R-I D ẫn xuất R-I th a m gia p h ả n ứng th ủ y

p h â n dễ d àn g hơn so với R-Cl

RC1 + I ' - “ - ► RI + C1

RI + HũO - - ROH + H + I

3 Hiện tượng chuyển vị trong phản ứng thế ái nhân

P h ả n ứng th ế ái n h â n đơn p h â n tử h ìn h th à n h sản p h ẩm tru n g gian là m ộ t carbocation N hư đã tr ìn h bày, carbocation n ày có k h ả

n ă n g chuyển vị th à n h m ột carbocation b ền hơn Do đó sản phẩm th ế của p h ả n ứng th ế th eo cơ ch ế SN1 tro n g trư ờng hợp n à y sẽ có bộ

CÁC DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ HỢP CHẤT c ơ M AGNESIUM 347

khung carbon khác với bộ khung carbon của nguyên liệu b a n đầu Ví

dụ thực h iện p h ả n ứng th ế của 2-bromo-2-m eth y lb u tan e tro n g diều kiện S n I, sẽ h ìn h th à n h m ột carbocation bậc hai C arbocation n à y sẽ chuyển vị hydrogen để h ìn h th à n h carbocation bậc b a b ề n hơn Do đó thu được sản phẩm th ế là 2-m ethyl-2-butanol T rong k h i đó, nếu thực

h iện p h ả n ứng th ế tro n g điều k iện S n 2 , k h ô n g xảy r a quá trìn h chuyển vị và sẽ th u được sản phẩm th ế là 3-m ethyl-2-butanol

+ OH H

Ị h,0

c h3I

h3o+ + c h3ò c h2c h3

OH

2-methyl-2-butanol

Tương tự n h ư vậy, hợp c h ấ t 3-brom o-2,2-dim ethylbutane k h i

th a m gia p h ả n ứng th ế ái n h â n tro n g điều k iệ n SN1 sẽ h ìn h th à n h carbocation tru n g gian bậc hai M ột nhóm m eth y l của carb o catio n này chuyển vị để h ìn h th à n h carbocation bậc b a b ề n hơn Do đó, sẽ th u được sản p h ẩm t h ế là 2,3-dim ethyl-2-butanol có bộ k h u n g carb o n khác với bộ k h u n g carbon của nguyên liệu b a n đầu K hi thực h iệ n p h ả n ứng

th ế tro n g điều k iện SN2, do không h ìn h th à n h carb o catio n tru n g gian

n ên k hông xảy r a quá tr ìn h chuyển vị và sẽ th u dược sả n p h ẩ m th ế là3-m ethyl-2-butanol

/ h^ỡCH,

CH,CH,C— CHCH CH,

3

Chuyển vị 1,2-hydride

dimethylbutane

3-bromo-2,2-CH3I

'1 JCH,OH

3,3-dimethyl-2-butanol

CH,ICH,C— CHCH,

CH,H2oỊCH,.1CH,C — CHCH,+QH CH,H

để điều ch ế alcohol tro n g phòng th í nghiệm Ví dụ có th ể điều chê n-

propanol từ /ỉ-propyl brom ide bằng phản ứng thủy 'phân trong dung dịch NaOH loãng, c ầ n lưu ý đối với dẫn xuất halogen bậc ba, phản ứng phụ là p h ản ứng tách loại HX h ìn h th à n h alkene trở nên chiếm

ưu th ế khi sử dụng base m ạnh

CH,CH2CH2Br + NaOH — P - ° ► CH3CH2CH2OH

P hản ứng do nhà hóa học Alexander W illiamson tìm ra vào năm

1850 Cho đến ngày nay, phản ứng này được xem là một trong những phương pháp tốt n h ấ t đế điều chế ether, cả eth er đối xứng lẫn eth er không đối xứng Đây là phản ứng th ế ái nhân giữa dẫn xuất alkyl halide

CÁC DẪN X U ẤT HALOGEN VÀ H 0P CHẤT c ơ MAGNESIUM 349

•halogenua) và ion alkoxide RO Phản ứng xảy ra theo co' chê S\2 vì đòi hoi phải sử dụng một lư ợ ng lớn tác nhân ái nhàn m ạnh (RO )

RBr + R’0* -*• R - O - K ’ + UtCác alkoxide anion (ROH được điều chê từ alcohol bang phản ứng Với các base m ạnh như N aH hoặc Na kim loại NaOH không có khá

n ăn g tách proton từ alcohol vì phán ứng giữa alcohol và NaOH là phan ứng th u ận nghịch và cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch

ROM + Na - —► RONa + J/2I1,ROH + NaH - - RONa + H,

Do tác nhân ái n h ân sử dụng có tín h base m ạn h , cần phải lựachọn tác chcât thích hợp khi tổng họp các e th e r không đối xứng đế hạn chế phán ứng phụ là phán ứng tách loại Ví dụ butyl propyl e th er có

th ế được tống họp theo phưong pháp W illiam son từ /í-propyl bromide

và butoxide ion, hoặc từ /í-butyl brom ide và /í-proxide ion Tuy nhiên, khi tống họp (e/7-butyl ethyl eth er, chi có thê sứ dụng ethyl brom ide

và fe/Y-butoxide ion Nếu sử dụng tác chât là (e/Y-butyl brom ide và othoxide ion, phản ứng tách loại cùa dần xuât halogen bậc ba sẽ chiốm ưu thê, h ìn h th à n h sán phấm chính là 2-m ethylpropene Do đó, khi tổng họp e th e r theo phưong pháp W illiam son, gốc alkyl bậc th âp

sè có nguồn góc từ dần xuât halogen, và gỏc alkvl bậc cao sẽ có nguồn gốc từ alkoxide ion

Cl l CHl ỉ t + CHCU'

I

CH.

CHI

CH ( 1 1 ,(>■ + CH CJ.5r

ICH

C l l ;I

CH c o c n Cll

ICll,

C H ;

I

C l l = ( ’.('11

- Phản ứng tạo amine

P h ả n ứng giữa N H 3 và các dẫn xuất alkyl halide (halogenua)

RX có th ể được sử dụng để tổng hợp các am ine P h ả n ứng xảy ra theo cơ ch ế th ế ái n h â n vào nguyên tử carbon no của dẫn xuất RX-

Thực tế, p h ả n ứng alkyl hóa N H 3 r ấ t khó dừng lại ở giai đoạn h ìn h

th à n h am ine bậc m ột, do am ine vừa mới h ìn h th à n h lại có tín h ái

n h â n cao hơn N H 3 P h ả n ứng th ế tiếp tục xảy ra, đưa đến việc hìn h

th à n h m ột hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau: am ine bậc một,

am ine bậc hai, am ine bậc ba, và muối am m onium bậc bốn Khi sử dụng m ột lượng dư NH3 tro n g p h ản ứng alkyl hóa, có th ể h ạn chế sự

h ìn h th à n h các sản phẩm am ine bậc cao và làm tă n g hiệu su ất của

am ine bậc m ột T rừ trường hợp của m ethylam ine, các am ine bậc m ột khác có th ể được tách ra khỏi hỗn hợp các sản phẩm bằng phương

CÁC DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ HỢP CHẤT c ơ MAGNESIUM 351

hợp c h ất n itrile có th ể bị thủy p h ân tro n g môi trư ờng acid hoặc base

m ạn h ở n h iệ t độ cao đế h ìn h th à n h các carboxylic acid tương ứng Do

đó có th ể nói đây là phương pháp điều ch ế carboxylic acid từ dẫn xuất ưlkýl halide Acid +hu được có m ạch carbon dài hơn d ẫn xuất alkyl halide m ột nguyên tử carbon, c ầ n lưu ý phương p h áp này chỉ th ích hợp để điều ch ế acid từ dẫn xuất alkyl halide bậc m ột Đôi với các dẫn Xuất bậc ba, bậc hại, p h ản ứng tách loại chiếm ưu th ế hơn p h ản ứng

th ế, do đó sản phẩm chính sẽ là các alkene tương ứng Các dẫn xuất aryl halide và vinyl halide không th a m gia p h ả n ứng này R iêng trường hợp d ẫn xuất aryl halide có chứa các nhóm th ế h ú t điện tử

m ạn h ở vị tr í ortho- và para-, phản ứng th ế ái n h â n v ẫn có k h ả n ăn g

sử dụng tro n g p h ản ứng tách loại thường là RO", OH“, N H 2~ P h ả n ứng tách loại thường cho nhiều sản phẩm hơn p h ả n ứng th ế , tro n g đó

sẽ có m ột sản phẩm chính P h ả n ứng tá ch loại của d ẫ n x u ất halogen

có th ể xảy ra theo cơ chế tách loại lưỡng p h â n tử hoặc đơn p h â n tử, tùy thuộc vào cấu trúc của gôc hydrocarbon cũng n h ư điều k iện thực hiện p h ản ứng

- Phản ứng tách loại lưỡng phán tử (Eo)

Cơ ch ế của ph ản ứng tách loại Eo của dẫn xuất alkyl halide

(halogenua) dưới tác dụng của base có th ể được tóm tắ t như sau:

y- + R — OR, — CH - X Chậm

RI

y - — l ĩ — ộ — CH - - X*

IH

th à n h carbocation tru n g gian, ơ giai đoạn này có sự tấ n công của base

vào nguyên tử hydrogen ờ vị trí (3 so với C -X , h ìn h th à n h m ột liên k ế t

yếu đồng thời với sự phá vờ liên k ết C-X Tiếp theo là giai đoạn hình

th à n h sản phẩm tách loại là alkene tương ứng Giai đoạn này xảy ra

n h an h và không ản h hưởng nhiều đến tổc độ chung của quá trìn h Nồng độ base sử dụng cho quá trìn h tách loại có ả n h hưởng đến tốc độ

ph ản ứng Tốc độ phản ứng tách loại E 2 tương tự như đối với ph ản ứng

th ẻ Sn2 :

r = k [ R - X l [y-1

P h án ứng tách loại lường phân tử có tín h lập th ế rõ ràng P hản ứng tách loại chi xảy ra khi hai liên k ết của hai nhóm đi ra nằm tro n g cùng m ột m ặ t phang Tính đồng p h ang này sẽ đ ạ t được khi hai

nhóm th e đi ra phải ở vị trí trơỉis hoặc an ti với nhau Ví dụ ph ản ứng

tách loại 5-brom ononane bằng tác nh ân KOCH2CH3 / CH3CH2OH ở

n h iệ t độ cao sè hìn h th à n h hai san phấm alkene, tro n g đó sản phẩm chính là /rơ/?s-4-nonenc Ccác câu dạng của 5-brom ononane tương ứng

h ìn h th à n h các san phấm alkene này phải bảo đám nhóm - B r và

nguyên tứ hyđrogen tách ra phai o' vị trí an ti với nhau:

M ột ví dụ khác, p h ản ứng tách loại lưỡng p h â n tử của h ạ i đồng

p h ân chlorofum aric acid và chlorom aleic acid xảy ra với tốc độ h o à n

to àn khác nhau Đồng p h â n chlorofum aric acid tro n g đó nguyên tử C1

và Hp tá ch ra ở vị tr í trans so với n h au có tốc độ p h ả n ứng tá c h loại

lớn hơn k h o ản g 30 lầ n so với đồng p h â n chlorom aleic

OH-HC1

H " ~ COOH

chlorofumaric acid

OH-HCl

chloromaleic acid

- Phản ứng tách loại đơn phân tử (Et)

Tương tự như phản ứng th ế ái n h â n đơn p h â n tử, p h ả n ứng tách loại E l của các dẫn xuất alkyl halide (halogenua) xảy r a qua giai đoạn

h ìn h th à n h carbocation trung gian Cơ chế p h ản ứng E l của dẫn xuất alkyl halide có th ể được tóm tắ t như sau:

H* ♦ > = <

G iai đoạn chậm quyết đ ịn h tốc độ của quá tr ìn h p h ả n ứng là giai đoạn h ìn h th à n h carbocation tru n g gian Ở giai đoạn n ày k h ô n g có sự

th a m gia của base Ớ giai đoạn tiếp theo, b ase sử dụng sẽ tá c h nguyên

tử h y drogen ở carbon p so với C -X , h ìn h th à n h sản p h ẩm tá c h loại là alk en e Tốc độ p h ả n ứng tá c h loại E l tương tự n h ư đối với p h ả n ứng

th ế SnI , k h ô n g phụ thuộc vào nồng độ của base sử dụng: r = k[R-X]

Các yếu tố làm th u ậ n lợi cho p h ả n ứng th ế ái n h â n đơn p h â n tử sẽ đồng thời th u ậ n lợi cho p h ả n ứng tách loại đơn p h â n tử Ví dụ p h ả n

ứng tá c h ioại E l của íerí-butyl brom ide xảy r a qua giai đoạn h ìn h

th à n h carbocation tru n g gian, cation n ày được b ền hóa nhờ hiệu ứng siêu liê n hợp và cảm ứng đẩy điện tử của các nhóm - C H 3

v c h3

2- H ư ớ n g c ủ a p h ả n ứ n g tá c h lo ạ i

- P h ả n ứ n g tá c h lo ạ i lư ỡ n g p h ă n tử :

P h ả n ứng tá ch loại E 2 của các d ẫn xuất halogen bậc m ột, hoặc

halogen bậc hai có cấu trúc đối xứng chỉ tạo th à n h m ột sản phẩm

alkene Ví dụ p h ản ứng tách loại H B r từ 1-brom obutane hoặc 2- brom opropane chỉ h ìn h th à n h sản phẩm 1-butene hoặc propene, do

các nguyên tử hydrogen ở vị trí p so với C -B r tro n g những trường hợp

này tương đương với nhau

CÁC DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ H ộ p CHẤT c ơ MAGNESIUM 355

c2h50 'CH3CH2CH2CH2Br — — — ► CH2 = CHCH2CH3

base tro n g những trường hợp này như sau: ‘sản p h ẩ m ch ín h của p h ả n

ứng là alkene bền nhất, thường là alkene có n h iều n h ó m alkyl liên k ết với nối đôi c=c hay có nhiều nguyền tử hydrogen ở Ca so với nối đôi

Ví dụ p h ản ứng tá ch loại H B r từ 2-brom obutane sẽ th u được sản phẩm chính là 2-butene, p h ả n ứng tách loại H B r từ 2-brom o-2-m ethyl- butane sẽ cho sản phẩm chính là 2-m ethyl-2 -butene

th à n h liên k ế t đôi c=c có k h ả n ăn g tạo m ột hệ liên hợp với các liên

k ế t đôi c=c đã có tro n g p h ân tử Các alkene có hệ liên k ế t đôi c=c

liên hợp thường bền hơn, là sản phẩm chính của p h ả n ứng

CH,CH., = CHCH2CHCHCH3

IC1CH3T

c h2c h c h c h3I

Br

OH*

O H '

ỌHaICH2= C H C H = c h c h c h

CH,

c h = c h- c h c h3

K hi gốc alk y l của d ẫn xuất halogen chứa n h iều nhóm th ế kích thước lớn, hoặc là tá c n h â n base có kích thước lớn, p h ả n ứng tá c h loại

E 2 sẽ xảy r a th eo hướng th u ậ n lợi về m ặ t k h ô n g gian cho sự tấ n công

của b ase vào nguyên, tử hydrogen ở carbon p T ro n g nhữ ng trư ờng hợp

này, b ase sẽ ưu tiê n tấ n công vào nguyên tử hydrogen ở carbon p ít bị cản trở về m ặ t k h ô n g gian n h ấ t Sản p h ẩm c h ín h của p h ả n ứng sẽ ngược với quy tắ c Zaitsev, thường là nhữ ng alk en e dầu m ạch, thường gọi là sả n p h ẩm H ofm ann Ví dụ p h ả n ứng tá c h loại 2-bromo-2-

m e th y lb u ta n e, m ột d ẫ n xuất halogen có kích thước cồng k ền h , b ằn g íerí-butoxide ion cho 28% sản p h ẩm Z aitsev v à 72% sản phẩm

H ofm ann

CH,CH:)CO"

M ột ví dụ về ả n h hưởng của hiệu ứng k h ô n g gian lên tỷ lệ sản

phẩm Z aitsev và H offm an được cho ở b ản g 9.3 sau đây, tro n g đó ph ản

ứng tá ch loại H B r từ 2-brom o-2,3-dim ethylbutane, m ột dẫn xuất halogen có kích thước cồng kền h , được tiế n h à n h với nhiều base khác nhau Kích thước k hông gian của base càng lớn, tỷ lệ sản phẩm Zaitsev càng giảm và tỷ lệ sản phẩm alkene đầu m ạch càng tăng

C H ,C=C H C H 3 + CH., = CCH,CH3

dù phản ứng tách loại xảy ra theo cơ chế El hay E 2 Ví dụ, ph ản ứng tách loại HX từ 2-halohexane cho tỷ lệ các sản phẩm Zaitsev và Hoffman tùy thuộc vào bản chất halogen như sau:

B ả n g 9.5 A n h hưởng của bản chất hơlogcìì

quyết định tốc độ p h ản ứng là giai đoạn tách halogen h ìn h th à n h carbocation tru n g gian, độ bền của carbocation tru n g gian có ảnh hưởng đến hướng của p h ản ứng tách loại C arbocation tru n g gian có

k h ả n ă n g chuyển vị bộ khung carbon để h ìn h th à n h cation bền nh ất

Do đó sẽ ả n h hưởng đến cấu tạo của sản phẩm alkene thu được Ví dụ

p h ả n ứng tách loại E l của 3-chloro-2-m ethyl-2-phenylbutane cho sản phẩm chính là sản phẩm có sự chuyển vị nhóm - C H 3 làm th ay đổi bộ khung carbon

P h ả n ứng tách loại HX từ dẫn xuất halogen thường đi kèm với

p h ản ứng th ế ái n h â n và ngược lại Tỷ lệ giữa sản phẩm tách loại và sản phẩm th ế tùy thuộc vào cấu tạo của gôc hydrocarbon, bản chất nguyên tử halogen, các n h ân ái n h ân , dung môi sử dụng tro n g phản ứng, n h iệ t độ thực h iện ph ản ứng P h ả n ứng tách loại thường có năng lượng h o ạt hóa cao hơn ph ản ứng th ế ái n h ân Vì vậy n h iệ t độ phản ứng càng cao, sản phẩm tách loại càng chiếm ưu thế Ví dụ tỷ lệ sản phẩm alkene sin h ra tro n g phản ứng tách loại của isopropyl bromide tro n g dung môi 60% ethanol - 40% nước biến đối theo n h iệ t độ như sau: ở 45°C: 53,2%; 75°C: 57,5%; 100°C: 63,6% Tương tự như vậy, dối

với p h ản ứng tách loại tert-butyl chloride tro n g dung môi 80% ethanol

- 20% nước, tỷ lệ alkene sinh ra lần lượt là: ở 25°C: 16,8%; 50°C: 23,7%; 65°C: 36,3%

Khi tă n g mức độ phân n h án h của gổc hydrocarbon tro n g dẫn xuẫt halogen, tốc độ ph ản ứng tách loại tă n g lên, tốc độ ph ản ứng th ê giám xuông Do đó, tý lệ sản phấm tách loại (alkene) sè tă n g khi bậc của gốc hydrocarbon tăng Ty lệ sản phẩm alkene sẽ tă n g theo t r ậ t tự:

CÁC DẪN XU Ấ T HALOGEN VÀ H ộ p CHẤT c ơ M AGNESIUM 359

CH3CH2X < (CH3)2CHX < (CH3)3CX Ví dụ p h ả n ứng giữa propyl brom ide với tác n h â n CH3ONa/ CH3OH cho h ỗ n hợp s ả n p h ẩm gồm 90% sả n p h ẩm th ế (m ethyl propyl eth er) và 10% sả n p h ẩ m tá c h loại (propene) T rong k h i đó p h ản ứng giữa Ểerí-butyl brom ide và tá c n h â n C2H5ONa / C2H5OH chỉ cho sản phẩm tá c h loại

Đôi với các d ẫ n x u ất halogen bậc m ột, k h i gốc hydrocarbon có

kích thước k hông gian càng lớn, hoặc khi base (đồng th ờ i là tá c n h â n

ái n h â n ) sử dụng có kích thước càng lớn, sự tấ n công của tác n h â n ái

n h â n vào nguyên tử carbon liên k ế t trực tiế p với nguyên tử halogen trở n ê n khó k h ă n hơn K ết quả tỷ lệ sản p h ẩm tá c h loại sẽ tă n g lên

tá ch loại và sả n phẩm th ế Trong đó, tv lệ giữa sả n p h ẩm tá c h loại

và sản p h ẩm th ế phụ thuộc vào tín h base và cả kích thước không gian của base (đồng thời là tác n h ân ái n h â n ) sử dụng tro n g p h ản

ứng T ín h base càng m ạn h , hoặc kích thước không gian của base càng lớn, tỷ lệ sả n p h ẩm tá ch loại càng tăn g Ví dụ đối với isopropyl chloride, nếu sử dụng tác n h â n C2H50Na/C2H50 H có tín h base m ạnh,

p h ả n ứng tá ch loại sẽ chiếm ưu th ế Tỷ lệ sản phẩm tá ch loại càng

tă n g lên, nếu base sử dụng có kích thước không gian lớn như (C H ^ C O N a / (CIỈ3)3COH Trong khi đó, nếu sử dụng tác n h ân CH3COONa / CH 3COOH có tín h base yếu hơn, p h ản ứng th ế sẽ chiếm

N hư đã trìn h bày ở chương ‘Các hợp c h ấ t hydrocarbon thơm ’,

p h ản ứng th ế ái n h â n vào n h â n thơm thường chỉ xảy ra dễ dàng khi tro n g n h â n thơm có nhữ ng nhóm th ê h ú t điện tử m ạn h như -N O 2, -

NO, -C N , -SO3H, -COOH ở vị trí ortho- hay para- so với nhóm bị

th ế N ếu k h ô n g có m ặ t nhữ ng nhóm h ú t điện tử này, p h ản ứng th ế ái

n h â n thường khó xảy ra Tuy nh iên , k ế t quả thực nghiệm trước đây cho th â y các d ẫ n x u ất chlobenzene hay brom obenzene có k h ả năn g

th a m gia p h ả n ứng th ế ái n h â n với m ột base m ạn h như KNH2 hay

N aN H 2 tro n g am m onia lỏng m à không cần phải có m ặ t các nhóm th ê

h ú t đ iện tử m ạ n h tro n g vòng benzene như đã nói ở trê n

Đặc b iệ t, khác với nhữ ng p h ả n ứng th ê ái n h â n th ô n g thường khác, p h ả n ứng th ê ái n h â n loại n ày có k h ả n ă n g h ìn h th à n h m ột hỗn hợp h ai hay nhiều sản phấm , tùy thuộc vào cấu trúc của d ẫn xuất aryl h alid e ban đầu Ví dụ đồng p h ân o-brom otoluene th am gia p h ản ứng với N aN H 2 sẽ h ìn h th à n h hai sả n p h ẩm là o -m eth y lan ilin e và

m -m ethylaniline Đ ồng p h â n p-brom otoluene th am gia p h ản ứng này

sẽ h ìn h th à n h h ai sả n phẩm là p -m eth y lan ilin e và m -m ethylaniline

tử carbon của vòng benzene liên k ế t trực tiếp với nguyên tử chlorine

được đ án h dấu b ằn g đồng vị 14c Từ p h ản ứng này, th u được m ột hỗn

hợp hai sản phẩm là aniline có nhóm - N H 2 liên k ế t với nguyên tử

14c và anilin e có nhóm - N H 2 liên k ế t với nguyên tử carbon kề bên

nguyên tử 14c với tỷ lệ mol là 1: 1 Điều này được giải th ích dựa trê n

sự h ìn h th à n h m ột sản phẩm tru n g gian tro n g quá trìn h p h ả n ứng,

gọi là benzyne, tro n g đó m ột liên k ế t đôi c = c tro n g vòng benzene được th a y th ế b ằn g m ột liên k ế t ba c = c Sản p h ẩm tru n g gian này

được h ìn h th à n h khi base m ạnh dạng N H 2~ lấy m ấ t m ột proton ở vị

trí ortho đối với nguyên tử chlorine Anion h ìn h th à n h được b ền hóa

bằng cách giải phóng anion chloride đế h ìn h th à n h benzyne Tác

n h â n ái n h â n - N H 2 lúc này có thế tấ n công vảo m ột tro n g hai

nguyên từ carbon trong liên kết ba c = c , từ đó h ìn h th à n h hai sán

phẩm tương ứng Cơ chê cua phan ứng này có thê tóm t ắ t như sau:

T rong m ột th ờ i gian dài, người ta đã cô" gắng chứng m in h sự tồn

tạ i của sả n p h ẩm tru n g gian benzyne b ằn g cách p h â n lập và xác dịnh cấu trú c của nó Tu3r n h iên , do độ bền quá th ấ p n ê n đến nay v ẫn chưa

th ế p h â n lập và tin h ch ế được benzyne Mặc dù vậy, người ta đã có

n h ữ ng b ằ n g chứng về sự tồn tạ i của benzyne Trong quá trìn h ph ản ứng có sự h ìn h th à n h bezyne, nếu th êm furan vào hỗn hợp p h ả n ứng,

sẽ th u được sản phẩm dạng cộng hợp đóng vòng D iels-A lder của

bezyne với vai trò tác n h â n ái diene (d ie n o p h ile ) với furan H iện nay

đã p h â n lập và xác đ ịn h được cấu trúc của sản p h ẩm cộng hợp này

P h ả n ứng th ê ái n h â n vào vòng benzene tro n g trư ờng hợp này được cho là k ế t quả của cơ chế p h ản ứng tách loại — cộng hợp

(elim in a tìo n -a d d ìtio n ) Dựa vào cơ chế này, có th ế giải th ích được sự

h ìn h th à n h hỗn hợp sản phẩm th ế ái n h ả n tro n g các trường hợp khác

Ví dụ:

(organometallic com pound) Các kim loại thường được sử dụng trong

những p h ản ứng này là Mg, Li, Na, Zn, Hg Đây là phương p h á t thông dụng n h ấ t được sử dụng để điều chê các hợp c h ấ t co' kim Khí' năng th a m gia p h ản ứng với kim loại của d ẫn x u ất halogen như sau R-I > R-Br > R-Cl > R-F P h ản ứng cần được thực h iện tro n g dung m ò’

e th er k h an hoặc m ột sô dung môi k h an không có nguyên tử hydrogoĩ

linh động và không có chứa'những nhóm chức hoạt động khác Phản ứng điều chế các hợp chất cơ kim phải được thực hiện trong môi trường khí trơ như nitrogen hay argon, vì hơi nước, C 0 2 hoặc 0 2 đều

th am gia p h ản ứng dễ dàng với các hợp chất cơ kim sinh ra Trong các dẫn xuất cơ kim , dẫn xuất cơ m agnesium (hợp ch ất G rignard) có ý nghĩa quan trọ n g n h ất, được trìn h bày chi tiế t ở mục 9.6

C H C h L C H ,C H „Hr + 2 L i — — « C H C H C H X R L i + L iB r

2C H ,C H _ ,B r + 2 Zn ot-h -* ( C H ,C H 2 Ị,Zn + Z n B r,

R iêng p h ản ứng giừa các dẫn xuất halogen và Na không dừng lại

ở giai đoạn tạo dcẫn xuất cơ kim mà thường h ìn h th à n h sản phẩm alkane P h ả n ứng này có tên gọi là phản ứng W urtz P h ản ứng W urtz của các dẫn xuất alkyl halide (halogenua) cho phép điều chế alkane có mạch carbon dài hơn so với nguyên liệu ban đầu Khi có m ặt của kim loại Na, hai gốc alkyl k ết hợp với nhau tạo th à n h sản phẩm alkane

2 R - X Na

t" R - R

P h á n ứ n g W u r t z chi th íc h h ợ p đế điều c h ế các a l k a n e đôi x ứng R-R K hi đ iều ch ê a l k a n e k h ô n g đỏi x ứn g b ằ n g p h ư ơ n g p h á p n à y , sè

t h u được m ộ t h ỗ n h ợ p n h iề u s á n p h ấ m Ví dụ p h á n ứ n g giừa e th y l

b r o m i d e CH;:;CFLBr và m e t h y l b r o m id e CH.jBr với sự có m ặ t cua Na*sẽ

cho h ỗ n h ợ p s ả n p h ẩ m gồm có b u ta n e CH3CH2CH2CH3 (do p h ả n ứ n g giữa h a i p h â n tử e th y l b ro m id e ), p r o p a n e CH3CH2CH3 (do p h ả n ứ n g giữa e th y l b ro m id e v à m e th y l b ro m id e ), e th a n e CH3CH3 (do p h ả n ứ h g giữa h a i p h â n tử m e th y l b ro m id e )

tnNgoài ra, p h ản ứng W urtz còn có nhiều h ạ n ch ế khác P h ả n ứng chỉ có hiệu quả đối với dẫn xuất alkyl brom ide và alkyl iodide D ẫn xuất alkyl chloride thường cho hiệu su ất r ấ t th ấ p P h ả n ứng này cũng chỉ có hiệu quả với các dẫn xuất bậc 1 (hiệu su ất kh o ản g 60%), các

dẫn xuất bậc 2 hay bậc 3 thường cho hiệu su ất r ấ t th ấ p (lần lượt

khoảng 40% và 10%)

Các d ẫn xuất halogen còn có k h ả n ăn g th a m gia p h ả n ứng với lithinium và đồng qua hai giai đoạn khác nhau Đ ây là m ột tro n g những phương pháp được sử dụng để điều ch ế alk an e Phương pháp này có ưư điểm hơn h ẳ n phương pháp dùng p h ản ứng W urtz nói trê n khi điều chế alk an e có m ạch carbon dài hơn so với nguyên liệu ban đầu Sử dụng phương pháp này, có th ế điều ch ế được cả alk an e đôi xứng R-R và b ấ t đối xứng R-R\ P h ả n ứng sử dụng tác c h ấ t lithium dialkyl đồng R2CuLi và dẫn xuất alkyl halide (halogenua) R’X P h ả n ứng này có tê n gọi là phản ứng E J C orey-H erbert House, do h ai n h à hóa học này tìm ra vào những năm 1960

RI

R — CuLi + R’X - ► R — R’ + RCu + LiX

Các hợp ch ất lithium dialkyl đồng R2CuLi được điều chê từ các dẫn xuất alkyl halide tương ứng RX Do đó có th ế xem đây là phương pháp điều chế alkane R-R’ từ các dẫn xuất RX và R’X (các gốc alkyl R

và R’ có th ế giống nhau hoặc khác nhau) Đế p h ản ứng đ ạ t hiệu suất cao, R’X phải là dẫn xuất bậc 1 Các gốc alkyl R tro n g hợp ch ất lithium dialkyl đồng R2CuLi có th ế là bậc 1, bậc 2 hay bậc 3 Ví dụ có th ể điều chế n-nonane từ m ethyl bromide và n-octyl iodide, hoặc điều chế 3- methyl octane từ sec-butyl chloride và n-pentyl brom ide n h ư sau:

CÁC DẪN X U Ấ T HALOGEN VÀ H ộ p CHẤT c ơ MAGNESIUM