Lý thuyết tổng hợp hóa hữu cơ

Ví dụ trong phân tử H2, C2H4, N2: Như vậy liên kết cộng hóa trị hình thành giữa những phân tử của cùng một nguyên tử hoặc những nguyên tử có độ lệch độ âm điện không lớn.. Khái niệm về h

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN THƯỜNG GẶP TRONG HÓA

HỌC VÀ TRONG KỸ THUẬT TỔNG HỢP HÓA HỌC

1.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN THUYẾT ĐIỆN TỬ

Nguyên tử cấu tạo gồm hạt nhân mang điện tích dương, khối lượng chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử và điện tử mang điện tích âm với khối lượng không đáng kể Nguyên tử trung hòa về điện nên tổng số proton trong hạt nhân bằng tổng

số electron trong lớp vỏ:

Số proton = số electron Các electron chuyển động quanh hạt nhân thành đám mây chia thành nhiều lớp theo một quy luật nhất định, những electron ở lớp trong liên kết với hạt nhân bền chặt hơn những electron ở lớp ngoài Do đó năng lượng electron ở lớp trong thấp hơn năng lượng electron ở lớp ngoài Và các lớp từ trong ra ngoài được kí hiệu K, L, M…

Lớp electron hóa trị- lớp electron ngoài cùng là lớp electron tham gia vào việc tạo thành liên kết, quyết định tính chất hóa học của nguyên tử Lớp này thay đổi từ 1 đến 8

Nguyên lý cơ bản của thuyết điện tử: Tất cả biến đổi hóa học của nguyên tử đều do sự biến đổi của lớp điện tử ngoài cùng của nguyên tử Khi lớp ngoài cùng

đã đủ 8 điện tử (trừ hidro chỉ có 2) thì không xảy ra phản ứng nữa Trong hóa học gọi quy tắc này là “quy tắc bát tử” (8 điện tử)

1.2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT HOÁ HỌC

Theo nguyên lí của thuyết điện tử, các nguyên tử có khuynh hướng thu xếp thế nào để lớp ngoài cùng có đủ 8 điện tử để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm

Vì vậy chúng liên kết với nhau Vì vậy nguyên tử có hai các sắp xếp điện tử ứng với việc tạo hai liên kết như sau:

Sự phát triển của lý thuyết về liên kết hóa học được hai nhà hóa học đưa ra: năm 1926, nhà hóa học Kosen (Đức) đưa ra thuyết liên kết ion và nhà bác học Luit đã đưa ra thuyết liên kết cộng hóa trị

1.2.1 Liên kết ion

Liên kết giữa hai nguyên tử có thể hình thành bằng sự chuyển một hay nhiều điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu tạo thành liên kết ion Trong nguyên tử, hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các điện tử phân bố thành các lớp khác nhau Trên mỗi lớp có số điện tử nhất định: 2 điện tử ở lớp thứ nhất, 8 hoặc 18 trên lớp thứ 3…Sự tạo thành hợp chất là kết quả của sự tạo thành lớp bão hòa Ví dụ trong phân tử LiF, LiCl:

Liên kết giữa hai nguyên tử do sự góp electron để tạo cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử Ví dụ trong phân tử H2, C2H4, N2:

Như vậy liên kết cộng hóa trị hình thành giữa những phân tử của cùng một nguyên tử hoặc những nguyên tử có độ lệch độ âm điện không lớn

Tuy nhiên có một trường hợp đặc biệt là đôi điện tử dùng chung không phải

là do mỗi nguyên tử góp một điện tử mà chỉ do một nguyên tử cho Và liên kết như vậy gọi là liên kết phối trí hay liên kết cho nhận Chẳng hạn phân tử NH4Cl:

HH

HH

1.3 HIỆU ỨNG HOÁ HỌC

Hiệu ứng nghĩa là sự ảnh hưởng lên nhau của của các nguyên tử trong cùng một phân tử gây nên sự thay đổi sự phân bố điện tích trong phân tử Tùy loại liên kết mà gây ra các hiệu ứng khác nhau

1.3.1 Sự phân cực liên kết cộng hóa trị - Hiệu ứng I

1.3.1.1 Khái niệm về hiệu ứng cảm ứng

Là sự phân cực của liên kết cộng hóa trị do sự dịch chuyển đôi điện tử về phía một trong hai nguyên tử tạo thành một phân tử có cực với điện tích khác nhau rất nhỏ gọi là điện tích riêng phần

Nếu một phân tử gồm những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử giống nhau thì đôi điện tử phân bố đều giữa hai nguyên tử, đám mây điện tử phân bố đều giữa hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử Chẳng hạn phân tử Cl2 hoặc C2H6

Cl Cl Cl Cl

CH3 CH3 CH3 CH3

Nhưng nếu hai nguyên tử khác nhau thì đôi điện tử sẽ bị lệch về một phía, đám mây điện tử không phân bố đều giữa hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mà lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn Ví dụ trong phân tử sau:

Hoặc Hδ(+) - Clδ (-)Với phân tử CH3Cl:

1.3.1.1 Quy luật về hiệu ứng cảm ứng

Mômen lưỡng cực μ đánh giá một cách định lượng mức độ phân cực đo bằng D(Đebai) Nếu lấy sự phân cực của H trong phân tử H2 làm chuẩn thì nguyên

tử hoặc nhóm nguyên tử hút điện tử mạnh hơn H sẽ có giá trị hiệu ứng âm ký hiệu

là –I, ngược lại nguyên tử hay nhóm nguyên tử hút điện tử yếu hơn H sẽ có giá trị hiệu ứng dương kí hiệu +I

c Các nhóm ankyl luôn có hiệu ứng +I và tăng theo bậc của nhóm:

CR-1.3.1.1 Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng

Hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh khi kéo dài mạch truyền ảnh hưởng và thực

tế hiệu ứng này không lan qua cacbon thứ ba trong mạch thẳng Chẳng hạn:

Ví dụ trong liên kết C=O của một xeton gồm hai cặp điện tử chung Trong

đó một cặp tạo liên kết σ bền vững, liên kết này nằm trên trục liên kết giữa nguyên

tử C và O, còn một cặp điện tử tạo thành liên kết Π ở ngoài trục:

- Nhóm đẩy điện tử có hiệu ứng +C:

- Nhóm hút điện tử có hiêụ ứng – C:

Vì vậy hiệu ứng liên hợp xảy ra khi có liên kết kép ( nối đôi, nối ba) và thể hiện khi tham gia liên kết

1.3.2.2 Quan hệ giữa cấu tạo của nhóm thế với hiệu ứng liên hợp

a Các nhóm +C: có cặp điện tử chưa tham gia liên kết -O-, -S-, OH, SH,

-NH2, NR2, -NHCOCH3, -F, -Cl, -Br

Hầu hết các nhóm +C đồng thời có hiệu ứng –I ở mức độ khác nhau

Ví dụ: CH3O- vừa có hiệu ứng +C do O còn cặp điện tử chưa liên kết, vừa

có hiệu ứng –I do O có độ âm điện lớn hơn C nên hút điện tử về phía nó

+C-I

Thực nghiệm chứng minh +C > -I

+C-I Một số nhóm lại có +C < -I Ví dụ: clo, flo…

+C-I

* Đối với các nhóm nguyên tử hay nhóm nguyên tử có hiệu ứng +C thì nguyên tử mang điện tích âm có hiệu ứng +C nguyên tử tương tự không mang điện

-O- > -OR

-S- > -SR

- Trong một chu kì, hiệu ứng +C yếu dần từ trái sang phải: -NR2 > -OR > -F

- Trong một phân nhóm chính +C giảm từ trên xuống dưới:

-F > -Cl > -Br > -I

-OR > -SR > -SeR

* Các nhóm –C: Đa số các nhóm này là những nhóm không no:

-NO2, -C=N, -CHO, -COR, -COOH,-CONH2…

Thường các nhóm –C có cả hiệu ứng –I

- Các nhóm –C=Z có lực –C phụ thuộc vào Z, nếu Z càng ở bên phải chu kì thì lực –C càng lớn:

* Các nhóm mang hiệu ứng C với dấu không cố định:

Loại này thường là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử chưa no như: vinyl, phenyl,

Ví dụ: Tùy nhóm nguyên tử gắn vào phenyl mà nó có hiệu ứng +C hay –C như phân tử nitrobenzene và anilin:

NH2

NO2

+C -C -C +C

1.3.2.3 Đặc điểm của hiệu ứng liên hợp

Khác với hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp thay đổi tương đối ít khi thay kéo dài mạch liên hợp và nó chỉ có hiệu lực mạnh khi hệ liên hợp phẳng

Nhân benzene có rất nhiều nguyên tử hidro ở những vị trí khác nhau, vì vậy

có nhiều qui tắc khi đưa nguyên tử hay nhóm nguyên tử (nhóm chức) khác nhau vào thế những hidro đó

1.4.1 Khi nhân thơm chưa có nhóm thế

Với nhân benzen chưa có nhóm thế thì phản ứng thế SE (phản ứng thế ái điện tử) sẽ thế được hidro của nhân benzen bằng các nhóm thế ái điện tử X(+) Nhóm thế này sẽ thế vào bất cứ vị trí nào trong nhân benzen

Ví dụ:

X

X+

1.4.2 Khi nhân thơm đã có sẵn một nhóm thế:

* Khi ở vòng benzene có sẵn một nhóm đẩy electron (nhóm thế loại I: -OH, -NH2, -hal như –Cl, -Br, -NR2, -OR …) làm mật độ electron ở các vị trí ortho và

para tăng, phản ứng thế sẽ dễ dàng hơn và ưu tiên xảy ra ở các vị trí ortho và para trong nhân benzen

Ví dụ: Khi nitro hóa toluen (nhân chứa nhóm metyl thuộc loại I) sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm chính là o- và p-nitrotoluen

Ví dụ: Khi nitro hóa nitrotoluen (nhân chứa sẵn nhóm –NO2 thuộc loại II)

sẽ thu được sản phẩm chính là m-dinitrobenzen

1.4.3 Khi nhân thơm đã có sẵn nhiều nhóm thế:

Trường hợp nhân thơm có sẵn nhiều nhóm thế thì vị trí nhóm thế vào sau được quyết định bởi nhóm thế có tác dụng định hướng mạnh hơn

- Các nhóm thế loại I thường chỉ chứa các liên kết đơn, đặc biệt là ở nguyên tử liên kết trực tiếp với nhân benzen Cón các nhóm thế loại II thường chứa các liên kết đôi ở nguyên tử liên kết trực tiếp với nhân benzen hoặc nguyên tử này mang mọt điện tích dương

- Các nhóm thế loại I (trừ halogen) thường làm dễ dàng cho sự thế tiếp sau vào nhân benzen, tăng cường khả năng phản ứng của nhân Ta nói rằng, các nhóm thế loại I hoạt động hóa nhân benzen

- Trái lại, các nhóm thế loại II làm khó khăn cho sự thế tiếp sau vào nhân benzen, làm giảm khả năng phản ứng của nhân Ta nói rằng, các nhóm thế loại II làm bị động hóa nhân benzen

Các qui tắc trên được giải thích dựa trên cơ sở của hiệu ứng I, E và nguyên

lý lực hút tĩnh điện

Trong phản ứng SE do ảnh hưởng của hiệu ứng I, E của các nhóm thế có sẵn trong nhân (X) – các nhóm thế này có thể hoạt hóa hoặc làm giảm khả năng phản ứng của nhân do ảnh hưởng đến sự phân bố mật độ điện tử trên từng nguyên

tử C có vị trí khác nhau Chính vì thế nhóm thế mới (Y) mới có thể tấn công vào

vị trí octo, para hoặc meta và tạo ra sản phẩm tương ứng theo tỉ lệ khác nhau đối với từng nhóm thế khác nhau cũng khác nhau

Khả năng phản ứng

(So sánh với nhân benzen)

Độ ổn định của phức σ của 3 loại đồng phân

o, p, m

Sản phẩm chính sau

pứ

(+)

-I C6H5X < C6H5-H o, p < m m

cách nào ít làm thay đổi nhất vị trí ban đầu của các điện tử” – hay nói cách khác là cần ít năng lượng nhất cho sự hình thành liên kết mới, đó là định đề cơ bản của thuyết điện tử “Quy tắc biến dạng phân tử tối thiểu” của Ingold

Nhưng việc xét sự sắp xếp lại điện tử như thế này rất phức tạp vì đôi lúc một phản ứng không chỉ là một quá trình đơn giản mà là một dãy gồm nhiều quá trình tiếp nối nhau, mà mỗi quá trình tạo ra một chất trung gian và các chất trung gian này chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn cũng vì vậy để đơn giản hoá người ta thường đại diện hoá hoặc phân chia chúng thành từng nhóm phản ứng đặc trưng Có nhiều cách để phân loại các phản ứng hữu cơ, sau đây là một số quan điểm để phân loại:

1.5.1.1.Cách phân loại thứ nhất là dựa trên trạng thái tĩnh (hay theo tiến trình

b Phản ứng tách loại (eliminasion), kí hiệu là E

Ví dụ:

O H

H H

c Phản ứng thế (substitusion), kí hiệu là S

Ví dụ:

d Phản ứng chuyển vị (một quá trình gồm nhiều phản ứng)

c Phản ứng oxi hoá, khử hoá…

1.5.1.2 Cách phân loại thứ hai là dựa trên trạng thái động (theo phương thức

sắp xếp lại liên kết)

Cách phân loại này dựa vào tính chất của quá trình phản ứng xảy ra, dựa vào cách phá huỷ của liên kết cũ, hình thành liên kết mới, cụ thể là dựa vào sự đứt ra của các liên kết, liên kết đó cắt ra theo cách nào?

1.5.1.3 Cách phân loại thứ ba là dựa theo tính chất của các tác nhân hoặc nhóm tham gia phản ứng

Nhóm tham gia phản ứng đó có khả năng cho hoặc nhận điện tử Nếu tác nhân mang nhóm cho điện tử thì phản ứng đó gọi là phản ứng ái điện tử (electrophin), ngược lại tác nhân mang nhóm cho điện tử thì phản ứng đó gọi là phản ứng ái nhân (nucleophin)

Phân loại theo tính chất electrophin và nucleophin là tính chất electron của tác nhân nhưng chúng luôn tương hỗ với nhau Tác nhân electrophin cần có một obitan tự do hay trung tâm có mật độ electron thấp nhất như: các ion có điện tích dương, chất có đám mây electron chưa đầy như BF3, AlCl3, chất oxi hoá (O3, ROOR, Fe3+…)

Tác nhân nucleophin như có cặp p hay obitan n hay có mật độ electron lớn như: ion âm, các hợp chất cá cặp điện tử tự do, các hợp chất có liên kết bội hoặc các hợp chất thơm

HH

HH

Ái điện tử ái nhân

1.5.1.4 Ngoài ra còn phân loại theo bậc phản ứng (trong giai đoạn quyết định

của phản ứng chỉ duy nhất một, hai hoặc nhiều phân tử tham gia vào giai đoạn chuyển tiếp)

a Phản ứng đơn phân tử

b Phản ứng lưỡng phân tử

c Phản ứng có số phân tử cao hơn

1.5.1.5 Trong một số trường hợp còn phân loại phản ứng theo số bước của phản ứng

a Phản ứng bước một

c Phản ứng nhiều bước (phản ứng dây chuyền)

Tóm lại trong hoá học hữu cơ người ta thường kết hợp tất cả các cách phân loại trên cả trạng thái tĩnh, trạng thái động lẫn tính chất của tác nhân cũng như bậc của phản ứng để phân loại các phản ứng hoặc thành những nhóm đặc trưng

- Phản ứng đó thuộc loại phản ứng gì? Cộng (A), thế (S) hay tách loại (E)

- Nhóm tấn công (tác nhân) trong phản ứng trong phản ứng mang tính chất gì? Ái nhân (N), ái điện tử (E), hay là gốc tự do (R)

Ví dụ : kí hiệu SE có nghĩa là phản ứng xảy ra theo cơ chế phản ứng thế và ái điện tử

1.5.2 Cơ chế của một số loại phản ứng:

Để minh họa cụ thể cơ chế của các loại phản ứng ta lần lượt nghiên cứu cơ chế của các loại phản ứng cơ bản đó

1.5.2.1 Cơ chế các loại phản ứng cộng:

Phản ứng cộng là phản ứng bão hòa liên kết đôi, nối ba ( gọi chung là liên kết kép) giữa cacbon-cacbon, cacbon-oxy, cacbon-nitơ, cacbon-lưu huỳnh Trong phân tử của tất cả các hidrocacbon chưa no đều có liên kết π kém bền, liên kết này

bị phân cực hoá mạnh bởi các hiệu ứng điện tử có trong nội bộ phân tử, bởi tác nhân phản ứng và điều kiện phản ứng, do vậy các hidrocacbon chưa no dễ dàng tham gia phản ứng cộng hợp Tùy thuộc vào tác nhân phản ứng mà ta chia phản ứng cộng thành các loại sau:

+ Phản ứng cộng electrophin (cộng ái điện tử AE)

+ Phản ứng cộng nucleophin (cộng ái nhân AN)

+ Phản ứng cộng gốc tự do ( AR)

1.5.2.1.1 Phản ứng cộng ái điện tử (A E )

Các phản ứng bão hòa liên kết kép cacbon-cacbon thường xảy ra theo cơ chế cộng ái điện tử vì bản thân các đám mây điện tử π của liên kết kép là hoạt lực của phản ứng

Các tác nhân của phản ứng như các halogen (Cl2, Br2, I2), các hidro halogenua (HCl, HBr), các axit hipohalogenơ (HClO, HBrO), H2O, H2SO4, … Xúc tác cho phản ứng cộng ái điện tử là các axit Lewis ( AlCl3, BF3, …) và các dung môi phân cực

Ví dụ khi cho etylen phản ứng với khí clo ta thu được dicloetylen

C

H2 CH2 + Cl2 nhanh Cl CH2 CH2 Cl

Cơ chế phản ứng trên được minh họa như sau:

+ Đầu tiên các điện tử π tạo với các điện tử của phân tử clo tạo nên phức π (I) (bước nhanh):

nhanh

Cl(+)

Các phản ứng bão hòa liên kết kép giữa cacbon-oxy, cacbon-nitơ, thường xảy

ra theo cơ chế cộng ái nhân

Tác nhân của phản ứng bao gồm các loại sau: HCN, NaSO3H, NH2-NH2,

NH2-NHR, NH2-R, NH2-OH, NH2-NH-CO-NH2, NH2-NH-CS-NH2

Phản ứng cộng nucleophin vào nhóm C=O của andehyt và xeton xảy ra theo

Y

X-Y :H-OH, H-CN, H-SO3Na , R-Li , R-MgHal ,LiAlH4

Phản ứng lưỡng phân tử, hai giai đoạn sản phẩm trung gian là một anion

(+) (-)

(-) (+)

cham

Y(-)+ X(+)

Y(-)

+ X

(+) nhanh

Y

Phản ứng được xúc tác bởi axit hoặc bazơ:

+ Xúc tác axit hoạy hóa nhóm C=O

+ Xúc tác bazơ hoạt hoá tác nhân

OH- (-)

từ các tác nhân cộng hợp các gốc tạ do được tạo ra, các gốc này liên kết với điện

tử π hình thành nên những gốc mới và gốc mới tiếp tục liên kết với những gốc tự

do khác cho ta sản phẩm cộng hợp

Tác nhân của phản ứng gồm

Phản ứng cộng hợp xảy ra ở liên kết π, chẳng hạn phản ứng cộng hợp của anken xảy ra theo sơ đồ tổng quát sau:

Ở đây XY có thể là halogen (Cl2, Br2), HOH, hidro halogenua (HBr), hipohalogenơ, H2SO4, hidro sunfua, bisunfat, andehyt, ancol, este, poly halogenua ankan (CHCl3, CHBr3, CCl4), tiol,…

Trước hết dưới tác dụng của peoxit , tác nhân phân ly thành các gốc tự do:

XY X. + Y

Sau đó gốc tự do này liên kết với điện tử của liên kết π tạo ta gốc tự do của nguyên tử cacbon (cacbocation trung gian) và tiếp tục tạo ra gốc tự do mới (dây chuyền):

cham

Cuối cùng cacbocation trung gian tác dụng với anion Y- tạo ra sản phẩm:

X(+)

+ Y

(-) nhanh

Cũng giống như phản ứng cộng, phản ứng thế cũng có các loại tương tự: thế

ái điện tử (SE), thế ái nhn (SN), thế gốc (SR)

1.5.2.2.1 Cơ chế thế ái điện tử(S E )

a Đặc điểm ủa phản ứng thế SE

Phản ứng thế ái điện tử thường là phản ứng thay thế nguyên tử hydro của nhân thơm bằng một nhóm tác nhân ái điện tử

Các phản ứng thế tiến hành nhờ các đầu mang điện tích dương của liên kết phân cực mạnh tấn công gọi là phản ứng thế electrophin

Sơ đồ chung của phản ứng thế electrophin vào nhân thơm:

X+ + Ar-H → Ar-X + H+

Phản ứng luôn tiến hành trong điều kiện có mặt một axit mạnh hoặc một chất xúc tác Axit mạnh hoặc chất xúc tác có tác dụng chuyển háo tác nhân thành dạng electrophin hoạt động, ký hiệu là X+

b Cơ chế phản ứng

Nếu nhóm tác nhân điện tử được ký hiệu là E+ thì cơ chế của phản ứng thế ái điện tử SE được biễu diễn như sau: trước hết tác nhân ái điện tử E+ liên kết với hệ điện tử pi của nhân tạo ra phức –pi, sau đó phức ion này tự định vị chuyển sang phức chuyển tiếp –xichma, trong quá trình đó tác nhân ái điện tử E+ định vị vào một vị trí cacbon nhất định( phức –xichma còn gọi là benzeni ion hay phenoni ion)

và cuối cùng tự ổn định hóa bằng cách loại proton khỏi phức –xichma để tạo thành phân tử trung hòa chứa nhóm thế E

c Các loại phản ứng liệt kê trong bảng sau đây đếu xảy ra theo cơ chế phản ứng thế ái điện tử:

ArH + HNO3  ArNO2 + H2O Nitro hóa

ArH + H2SO4  Ar-SO3 + H2O Sunfo hóa

ArH + X2  Ar-X + HX Halogen hóa (X=Cl, Br)

ArH +R-X  Ar-R +HX Frieden-Crafts- ankyl hóa

ArH + R-COCl  ArCOR + HCl Fieden-Crafts- acyl hóa

ArH + CO  Ar-CHO Galtermann-Koch

ArH + HCN + HCl 

Ar-CH=N+H2Cl-

 Ar-CHO

Galtermann

ArH + R-CN+HCl  ArCOR Houben-Hoesch

ArH + C6H5-N(CH3)-CHO  ArCHO

ArH + CO2  ArCOOH Kolbe-Schmit

ArH + HNO2  Ar-NO2 + H2O Nitrozo hóa

ArH + Ar’-N+?NCl-  Ar-N=N-Ar’ +

Trong đó tác nhân ái nhân có thể là các anion hoặc chất trung hòa có chứa đôi điện tử tự do:

Và X thường là các nhóm hút điện tử như –Cl, -Br, -I,-SO3H, -SO3R, -SO3Ar, -Ọ+H2, -O+RH, O+R3, -N+?N

Phản ứng thế ái nhân đặc biệt có ý nghĩa trong hóa học các hợp chất mạch thẳng Các loại phản ứng ghi trong bảng dưới đây đếu thuộc loiaj phản ứng thế ái nhân:

Nitro hóa Phản ứng Finkelstein Ankyl hóa beta-dixeton

Friden-Crafts ankyl hóa

Theo cơ chế phản ứng ta có thể chia phản ứng thế ái nhân thành hai nhóm: thế ái nhân đơn phân tử ký hiệu là SN1 thế ái nhân nhị phân tử lý hiệu là SN2 Quá trình thế ái nhân đơn phân tử Sn1 thường xảy ra trong hai bước theo cơ chế gián tiếp Bước thứ nhất nhờ tác dụng của dung môi hoặc chất xúc tác nguyên

tử hoặc nhóm nguyên tử X mang theo hai điện tử được tách ra tử liên kết C-X và cacbonium mang điện tích dương được tạo thành, sau đó ion dương này bị tác nhân ái nhân Nu:- tấn công từ cả hai phía để tạo thành sản phẩm là hỗn hợp racemic:

X C

Nu:(-)

nhanh

R C

R,,

R,+

Cơ chế kiểu này thường xảy ra khi phản ứng được thực hiện với các ankyl halogen bậc ba

Còn khi thực hiện phản ứng thế đi từ các ankyl halogenua bậc một hoặc hai thì phản ứng xảy ra theo cơ chế trực tiếp hoặc còn gọi là cơ chế thế ái nhân nhị phân tử SN2 Trong trường hợp này quá trình phá vỡ liên kết C-X và hình thành liên kết C-Nu cùng đòng thời xảy ra à như vậy tác nhân ái Nu:(-) sẽ tấn công vào phía ngược chiều (“ sau lưng”) so với nhóm rời đi (X) của phân tử, kết quả trong

khoảng khắc sinh ra một phức trung gian, sau đó X:(-) tách ra để tạo thành liên kết C-Nu

Và thành phần của quá trình này bao giờ cũng có cấu trúc không gian nghịch đảo với cấu trúc ban đầu Nếu xuất phát là đòng phân L thì sẽ cho sản phẩm của phản ứng là đòng phân D và ngược lại Hiện tượng náy do Walden phát hiện ra nên người ta gọi là “nghịch đảo Walden”

\

1.5.2.2.3 Phản ứng thế gốc (S R )

a Đặc điểm của cơ chế gốc SR

Nguyên tử hydro dính vào cacbon no được thay thế bằng nhóm halogen hoặc bằng một nhóm nguyên tử khác Quan trọng hơn cả là phản ứng halogen hóa theo

cơ chế gốc

Sơ đồ phản ứng theo cơ chế gốc tự do:

R-H + XY → RX + HY

XY: halogen, SO2Cl2, R3C-OCl, CCl3Br, CF3I

Phản ứng xảy ra khi có chiếu sang hoặc có chất khơi mào là các peoxit

b Cơ chế phản ứng

Trong các phản ứng hóa học một trong những sản phẩm trung gian được tạo

ra là gốc tự do Gốc tự do là những phân tử hoặc nguyên tử chứa một hoặc nhiều điện tử lẻ được tạo thành do quá trình phân chia của các đôi điện tử tự do

A-B A. + B

Và các gốc tự do A hoặc B. này tiếp tục tham gia phản ứng thế, thay thế các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có trong phân tử để hình thành ra những sản phẩm mới Các phản ứng thế kiểu này người ta gọi là phản ứng thế gốc (SR) Phản ứng thế gốc thường là phản ứng dây chuyền, sản phẩm thu được nhiều khi là một hỗn hợp Phản ứng thế gốc được đặc trưng bởi ba quá trình:

-Giai đoạn tạo gốc tự do-giai đọan khơi mào: Muốn cho một phản ứng gốc được thực hiện thì điều kiện đầu tiên là phải khơi mào tạo ra gốc tự do Có thể tạo

ra gốc tự do bằng tác dụng của nhiệt ( nhiệt hóa), bằng quang ( quang hóa), bằng oxy hóa khử, bằng sóng siêu âm

A. + A. A-A

A. + B A-B

R. + A. R-A

R. + B. R-B

R. + R. R-R

c Các loại phản ứng liệt kê sau đây thường xảy ra theo cơ chế gốc:

- Cloro hóa, bromo hóa các hợp chất hydrocacbon no mạch thẳng ở nhiệt độ cao bắng quang hóa

- Cloro hóa mạch nhánh các hợp chất thơm bằng đèn quang hóa

- Oxy hóa các hydrocacbon no mạch thẳng ở nhiệt độ phòng bằng oxy

- Sunfo-cloro hóa các hydrocacbon mạch thẳng mạch cacbon dài bằng khí clo và sunfua dioxit ( trong công nghiệp sản xuất xà phòng)

- Nitro hóa thể tích các hydrocacbon no mạch thẳng co mạch cacbon không lớn bằng axit nitric ở nhiệt độ cao

1.5.2.3 Cơ chế phản ứng tách loại (E)

1.5.2.3.1 Lý thuyết về cơ chế các phản ứng tách

Phản ứng tách loại là phản ứng loại khỏi phân tử ban đầu một hoặc nhiều phân tử có phân tử lượng nhỏ hơn hơn và tạo ra một phân tử mới chứa một hoặc nhiều nối đôi

Cơ chế phản ứng của phản ứng tách loại cũng gần tương tự như cơ chế của phản ứng thế ái nhân SN Cả 2 đều có phân tử R-X phản ứng với một tác nhân nucleophin ( Nu ) nào đó Chỉ có một điểm khác nhau là trong phản ứng thế ái nhân, nhóm ái nhân Nu tấn công vào đẩy nhóm X ra khỏi phân tử để thay vào vị trí cacbon của X trong phân tử ban đầu còn trong phản ứng tách loại thì nhóm tác

mà lại giành lấy một proton ở cacbon vị trí bên cạnh để bão hòa cho mình và kết quả là hình thành nên một liên kết đôi trong phân tử mới

Phản ứng tách trong dung dịch sẽ xảy ra theo các cơ chế E2, E1 hoặc E1cb

a Cơ chế tách loại lưỡng phân tử E2:

Xảy ra qua 1 giai đoạn và đi qua trạng thái chuyển tiếp là một phức hoạt động tương tự như cơ chế SN2 Nhưng khác với phản ứng SN2 là trong phản ứng E2, phức hoạt động sinh ra do tương tác giữa tác nhân Y- và nguyên tử β -hydro trong phân tử chất p: Phức này tách proton cùng với Y- và nhóm X đồng thời tạo

- Vận tốc phản ứng thường phụ thuộc vào cả hai thành phần tham gia phản ứng: V= k[RX] [Y-]

`Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng

- Ảnh hưởng của chất ban đầu

+Phản ứng E2 là đồng bộ, giai đoạn quyết định tốc độ xảy ra sự phân cắt liên kết

C – H và C – X đồng thời

+Trong phản ứng tách của các ankylhalogenua, tính cacbanion nhỏ, nên đưa thêm

nhóm ankyl vào C- H hay C-X đều làm tăng tốc độ phản ứng

+ Khả năng phản ứng của chất đầu cũng phụ thuộc vào bản chất của nhóm

đi ra :Nhóm đi ra ở dạng anion càng ổn định thì tốc độ E2 tăng, nghĩa là những nhóm thế hút electron trong nhóm đi ra sẽ làm tăng tốc độ phản ứng

- Ảnh hưởng của nhóm ra đi: Liên kết C – X bị bẻ gãy trong tiến trình phản ứng, chính vì vậy nhóm đi ra càng tốt thì tốc độ phản ứng càng tăng

- Ảnh hưởng của bazo: Do trong biểu thức tốc độ phản ứng có sự xuất hiện nồng độ bazơ nên độ mạnh của bazơ là rất quan trọng trong phản ứng E2 Tính bazơ của tác nhân càng lớn, tốc độ phản ứng càng tăng Phản ứng E2 cần dùng bazơ mạnh hay dùng tác nhân KOH/C2H5OH

- Ảnh hưởng của dung môi: Dung môi càng phân cực thì làm giảm tốc độ phản ứng

- Ảnh hưởng lập thể: Phản ứng E2 xảy ra theo kiểu trans hoặc anti nghĩa là khi trung tâm tham gia phản ứng ( H-C-C-X) ở trên một mặt phẳng, trong đó có các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách ( H và X) ở vị trí anti đối với nhau Tuy nhiên, quy luật trên chỉ áp dụng được cho các hình thể có những nhóm bị tách ở vị

trí trans kiểu trục Các hình thể trans có những nhóm bị tách nằm ở vị trí biên không tham gia phản ứng tách lưỡng phân tử vì trung tâm phản ứng không nằm trong một mặt phẳng

*Phản ứng E2 xảy ra khi:

- Nồng độ bazơ mạnh lớn

- Nhóm đi ra khó

- Sự cắt đứt liên kết R - X không dẫn đến sự hình thành cacbocation bền

đơn phân tử E1 tương tự cơ chế thế đơn phân tử SN1 về giai đoạn chậm tạo

cacbocation nhưng trong phản ứng E1 thì cacbocation tách proton tạo ra sản phẩm chưa no

hình thành cacbocation Chính vì vậy cacbocation càng bền thì tốc độ phản ứng càng lớn

Nhóm thế có hiệu ứng +I, +C ở vị trí nối đối với trung tâm phản ứng làm

+ Ảnh hưởng của nhóm ra đi: Trong phản ứng E1 thì việc tách nhóm đi ra

là ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, cho nên nhóm đi ra càng tốt thì phản ứng xảy

ra theo cơ chế E1 càng dễ dàng

+ Ảnh hưởng của nhóm bazo: Bazơ không đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng E1 do nó không hề tham gia vào biểu thức tốc độ phản ứng Tuy nhiên nếu bazơ càng mạnh thì phản ứng xảy ra theo E2 càng dễ

Phản ứng tách E1 thường dùng cho các hợp chất ancol trong môi trường axit mạnh để tổng hợp anken qua cacbocation hơn là các dẫn xuất halogen hay sunfonat cho hỗn hợp sản phẩm phức tạp

+ Ảnh hưởng lập thể: Cơ chế tách E1 trong dung dịch không có tính đặc thù như phản ứng E2 vì cacbocation trung gian sinh ra có cấu trúc phẳng hoặc gần như phẳng nên sự tách không phụ thuộc vào cấu hình phân tử ban đầu Tuy vậy, nhóm

X chưa rời khỏi nguyên tử cacbon mang điện dương một khoảng cách đủ xa mà đã xảy ra sự tách proton hoặc nếu trong phản ứng chỉ tạo ra những cặp ion trung gian [R+X-] thì sự tách theo kiểu trans sẽ chiếm ưu thế hơn

*Phản ứng E1 xảy ra khi

- Bazơ sử dụng là bazơ yếu

- Nhóm đi ra dễ

- Cacbocation hình thành phải bền vững

c Cơ chế cacbanion E1cb:

Theo cơ chế E1, nhóm X bị tách trước proton

Trong cơ chế E2, nhóm X và H bị tách đồng thời

Trong cơ chế E1cb thì xảy ra 2 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: H bị tách bởi bazo tạo ra cacbation

- Giai đoạn 2: X tách ra tạo thành sản phẩm chưa no

+Ảnh hưởng hóa lập thể :Cơ chế E1cb không có tính đặc thù

1.5.2.3.2 Các quy tắc về hướng tách

a Quy tắc về hướng tách β -hydro:

- Đối với các dẫn xuất bậc 1, nguyên tử β -hydro chỉ có mặt ở một nguyên

tử cacbon Vì vậy, nếu không xảy ra sự chuyển vị thì phản ứng tách chỉ cho

anken-1 là sản phẩm duy nhất Ví dụ C6H5CH2CH2Br chỉ có thể cho C6H5CH=CH2

- Đối với các dẫn xuất bậc 2 và bậc 3 thì có 2 loại β -hydro nên có khả năng hình thành 2 hoặc 3 sản phẩm Ví dụ: sec-butyl có thể tạo ra buten-1 và buten-2, trong đó có 1 sản phẩm là chính

**Quy tắc tách :

Trong các phản ứng theo cơ chế E, nhóm X bị tách cùng với nguyên tử β hydro ở cacbon bậc cao nhất và tạo ra nối đôi có nhiều nhóm thế nhất Quy tắc này gọi là quy tắc Zaixep

- Nếu X là một nhóm thế không mang điện tích như Cl, Br, I và không có

sự án ngữ không gian thì phản ứng E2 cũng xảy ra theo hướng như phản ứng E1 nghĩa là X cùng tách với β -hydro của cacbon bậc cao nhất

OH

Sản phẩm phụ Sản phẩm chính

- Trong phản ứng tách theo cơ chế E1cb, nhóm X bị tách cùng với nguyên

tử β-hydro nào có tính chất axit tương đối cao hơn cả

- Bất kể phản ứng xảy ra theo cơ chế nào, nếu trong phân tử đã có sẵn nối đôi có thể liên hợp với nôi đôi đã sinh ra thì sản phẩm liên hợp thường là sản phẩm chính và phản ứng tách không bao giờ xảy ra theo hướng tạo sản phẩm kém bền

b Ảnh hưởng của cấu tạo đến hướng tách và vận tốc tách:

- Nếu nhóm X bị tách ở vị trí α, còn proton bị tách ở vị trí β trong phân tử thì các nhóm thế ở những vị trí đó có thể gây nên những ảnh hưởng khác nhau như sau:

+ Chúng làm ổn định hay mất ổn định nối đôi đang hình thành

+ Chúng làm ổn định hay mất ổn định cacbocation và làm thay đổi tính axit của β-proton

+ Chúng làm ổn định hay mất ổn định cacbocation sinh ra

+ Chúng gây hiệu ứng không gian

Hai hiệu ứng thứ nhất và thứ tư có hiệu lực đối với cả 3 cơ chế song hiệu ứng thứ tư có hiệu lực cao nhất ở phản ứng E2, hiệu ứng thứ 2 không có hiệu lực đối với phản ứng E1 còn hiệu ứng thứ 3 lại không có hiệu lực đối với phản ứng E1cb

- Vận tốc của phản ứng E2 của các halogenua ankyl bậc 1 phụ thuộc vào bản chất của nhóm thế R ở vị trí β theo thứ tự:

CH3> CH3CH2> CH3CH2CH2> H

Khi đưa một nhóm ankyl vào vị trí β hoặc α của anlyl bậc 2 hoặc 3 thì vận tốc phản ứng E2 cũng tăng lên, nhất là khi các nhóm này ở vị trí α

-Vận tốc của phản ứng tách E2 cũng phụ thuộc vào bản chất của nhóm bị tách X: Vận tốc tách giảm theo thứ tự I > Br > Cl > F Mặt khác, hướng đặc trưng của phản ứng theo quy tắt Zaixep cũng giảm theo chiều đó đồng thời hướng tạo ra sản phẩm Hopman tăng lên

CHƯƠNG 2: NITRO HÓA 2.1 Đại cương

Nitro hóa là quá trình hóa học thay thế một hoặc nhiều nguyên tử H của hợp chất hữu cơ bằng một hay nhiều nhóm nitro (NO2) của axit nitric hoặc tác nhân tương đương của nitro

R-H + HNO3 → R-NO2 + H2O 2.2 Cơ chế phản ứng

Quá trình nitro hóa các hợp chất hữu cơ xảy ra theo hai kiểu cơ chế tùy thuộc vào bản chất của chất được nitro hóa

Nitro hóa những hợp chất thơm pha lỏng ở nhiệt độ không cao xảy ra theo

cơ chế ái điện tử SE , còn nitro hóa các hợp chất mạch thẳng, no thể khí ở nhiệt độ cao thì phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do SR

2.2.1 Cơ chế nitro hóa các hợp chất thơm pha lỏng

Khi nitro hóa các hợp chất thơm pha lỏng, người ta hay dùng tác nhân nitro hóa là hỗn hợp axit nitric và axit sunfuric tạo ra hỗn hợp sunfonitric (HOSO2-ONO2) được tạo ra, sau đó hợp chất này phân ly thành ion nitroni (NO2+) và anion bisunfat Các quá trình biến đổi đó có thể biểu diễn như sau:

NO2+ + HSO4

-HNO3 + H2SO4 NO2+ + HSO4- + H3O+

Ion nitroni mới tạo thành tấn công vào hợp chất thơm như là tác nhân ái điện tử theo cơ chế SE:

H +

:B-H+

-NO2+ B-H

Vai trò của axit sunfuric trong phản ứng này là làm xúc tác: cung cấp proton để tạo ra NO2

+

và đồng thời ngăn cản không cho HNO3 phân ly thành H+ và

NO3- theo cách phân ly bình thường trong nước, cũng chính vì thế trong quá trình phản ứng khi nồng độ H2SO4 giảm đi thì tốc độ phản ứng cũng bị giảm theo, thậm chí đến một nồng độ nhất định thì phản ứng không xảy ra

Thực tế người ta nhận thấy khi nitro hóa benzen ở 250C, nếu nồng độ axit

H2SO4 <80% thì tốc độ phản ứng dường như không đáng kể, nhưng nếu nồng độ axit khoảng 80-90% thì tốc độ tăng lên hang nghìn lần (tại khoảng nồng độ này

NO2+ tạo ra nhiều nhất) Nếu nồng độ H2SO4 đạt 90-100% thì tốc độ phản ứng cũng giảm

Mặt khác, nếu trong hợp chất thơm có chứa nhóm thế loại I thì tốc độ phản ứng nitro hóa tăng lên so với benzene (trừ nhóm halogen) còn nếu chứa nhóm thế loại II thì tốc độ phản ứng giảm đi so với benzen

2.2.2 Cơ chế phản ứng nitro hóa các hợp chất hydrocacbon no, mạch thẳng ở thể khí

Với các hợp chất hydrocacbon no, mạch thẳng khi nitro hóa không dùng được axit HNO3 đặc hoặc hỗn hợp nitrosunfuric như khi nitro hóa các hợp chất nhân thơm vì phản ứng oxy hóa xảy ra mãnh liệt Cũng chính vì thế chỉ có thể dùng axit HNO3 loãng (35-40%) hoặc HNO3 thể khí ở nhiệt độ cao (300-5000C)

để thực hiện nitro hóa Lúc này phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do SR Phản ứng này được xúc tác khơi mào khi có mặt chút ít O hoặc halogen (Cl , Br )

Phức π1

Phức π2

Phức σ