Sự hình thành khái niệm cơ chế phản ứng trong chương trình hoá học hữu cơ ở trường phổ thông

Trên cơ sở đặc điểm của quá trình hình thành và phát triển các khái niệm hoá học cơ bản trong hoá học nói chung, chúng tôi tiến hành nghiên cứu việc hình thành và phát triển khái niệm cơ

Lời cảm ơn

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến ban chủ nhiệm khoa Hoá, các thầy,

cô trong khoa, tổ bộ môn Phương pháp dạy học

đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này Đặc biệt là giảng viên - thạc sĩ Lê Danh Bình đã giúp em rất nhiều trong việc lựa chọn và thực hiện đề tài

Sau nữa, em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy hiệu trưởng và các thầy, cô giáo trường PTTH Lê Hồng Phong - Hưng Nguyên đã giúp

đỡ em trong quá trình thực nghiệm đề tài

Nhân dịp này, tôi xin được cảm ơn tất cả bạn bè và người thân đã động viên, giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa luận

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn và ghi nhận tất cả.

Lê Thị Minh Tin

Sinh viên K40 A - Hoá

Quá trình dạy học ở trường phổ thông là quá trình hình thành các khái niệm Nội dung chương trình hoá học ở trường phổ thông là hệ thống các khái niệm hoá học cơ bản Muốn nâng cao chất lượng dạy học thì không thể không nâng cao chất lượng của việc hình thành cho học sinh các khái niệm cơ bản Trong hệ thống các khái niệm hoá học cơ bản thì khái niệm phản ứng hoá học là một trong những khái niệm quan trọng nhất Khái niệm phản ứng hoá học bao gồm nhiều khái niệm thành phần

Để hình thành khái niệm phản ứng hoá học cho học sinh cần hình thành đầy đủ các khái niệm thành phần Trong các khái niệm thành phần của phản ứng hoá học thì khái niệm cơ chế phản ứng là một khái niệm khá quan trọng Tuy nhiên đây là một vấn đề khó, ít được giáo viên đề cập đến trong qua trình giảng dạy Do đó học sinh nắm kiến thức về phản ứng hoá học không được hệ thống và sâu sắc Trong chương trình hoá học hữu cơ, việc nghiên cứu cơ chế phản ứng đặc biệt quan trọng Việc nắm vững kiến

học đồng thời giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, góp phần quan trọng trong việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp

Để góp phần nâng cao hiệu quả hình thành khái niệm cơ chế phản ứng hoá học trong hoá hữu cơ, chúng tôi đã chọn đề tài "Hình thành khái niệm cơ chế phản ứng trong chương trình hoá học hữu cơ ở trường trung học phổ thông"

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trên cơ sở đặc điểm của quá trình hình thành và phát triển các khái niệm hoá học cơ bản trong hoá học nói chung, chúng tôi tiến hành nghiên cứu việc hình thành và phát triển khái niệm cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ, từ đó đề xuất các phương pháp dạy học thích hợp để nâng cao hiệu quả giảng dạy khái niệm này trong chương trình hoá học ở trường THPT

III NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý luận về quá trình hình thành và phát triển của các khái niệm cơ bản ở trường phổ thông nói chung và quá trình hình thành, phát triển khái niệm cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ nói riêng

- Tìm hiểu thực trạng dạy, học phần khái niệm cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ ở trường phổ thông hiện nay

- Tìm kiếm, lựa chọn các phương pháp, phương tiện tối ưu đảm bảo tốt cho việc hình thành và phát triển một số loại cơ chế phản ứng hoá học

ở trường phổ thông

- Thực nghiệm sư phạm đánh giá hiệu quả quy trình, phương pháp, phương tiện dạy học đã lựa chọn

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

IV.1 Nghiên cứu lý luận

- Nghiên cứu các văn bản của Đảng, Nhà nước và của Bộ GD-ĐT

có liên quan đến vấn đề nâng cao chất lượng giáo dục

- Nghiên cứu các tài liệu về lý luận dạy học, tâm lý học, giáo dục học, và các tài liệu cơ bản có liên quan đến đề tài

IV 2 Nghiên cứu thực tiễn

- Nghiên cứu thực tiễn dạy, học phần khái niệm cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ ở trường THPT hiện nay

IV.3 Thực nghiệm sƣ phạm

- Đánh giá hiệu quả của quy trình, phương pháp, phương tiện dạy học đã được lựa chọn để hình thành và phát triển một số khái niệm nói đến trong đề tài này

- Xử lý kết quả thực nghiệm bằng phương pháp thống kê toán học

V GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

- Việc nghiên cứu quá trình hình thành và phát triển của khái niệm

cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ cũng như đề xuất một số phương pháp dạy học tích cực sẽ giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy, phát triển năng lực tiếp thu kiến thức bộ môn hoá học cho học sinh

VI ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu quá trình hình thành và phát triển khái niệm cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ ở trường phổ thông và đề xuất những phương pháp dạy học có hiệu quả để hình thành tốt khái niệm này

PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài

TRONG GIẢNG DẠY HOÁ HỌC

Hình thành khái niệm là một trong những vấn đề trung tâm của lý luận dạy học bộ môn Nó có tầm quan trọng rất lớn cả về mặt trí dục và đức dục Muốn nâng cao chất lượng của việc dạy học thì không thể không nâng cao chất lượng của việc hình thành cho học sinh những khái niệm cơ bản

Chúng ta đều biết rằng, nhiệm vụ cơ bản của việc dạy học trong nhà trường là vũ trang cho học sinh những cơ sở của khoa học, phát triển ở họ những năng lực nhận thức và thông qua đó mà hình thành con người mới của XHCN Việc dạy học theo tinh thần mới đòi hỏi nội dung trí dục phải phản ánh được hiện thực một cách đúng đắn, chân thực, khách quan, chính xác, không thêm bớt, không xuyên tạc Nó đòi hỏi chúng ta phải làm cho học sinh thấy được những thuộc tính bản chất của thế giới vật chất, những mối liên hệ nội tại sâu xa của các vật thể và hiện tượng, phải làm cho họ nhìn thấy chúng trong sự vận động biến đổi và phát triển trong

sự đấu tranh giữa cái mới và cái cũ để thực hiện được những nguyên tắc

cơ bản của việc dạy học về tính tư tưởng và tính khoa học đó nhất thiết chúng ta phải rất quan tâm đến việc hình thành cho học sinh những quan điểm lý thuyết chủ đạo và liên quan chặt chẽ với cái đó, hình thành những khái niệm cơ bản

Trong quá trình khái quát hoá, những kiến thức về các chất riêng biệt và về những biến hoá của chúng, những khái niệm cơ bản về hoá học dần dần xuất hiện Những khái niệm đó trở thành điểm tựa vững chắc, là

vũ khí cho việc tiếp tục nghiên cứu các nguyên tố và các hợp chất hoá

học Lúc đó những khái niệm cơ bản dần dần được cụ thể hoá thêm, đào sâu thêm và ngày càng phản ánh đúng đắn hơn, đầy đủ hơn các mặt phức tạp của thực tế

Chúng ta thấy rằng, trong quá trình dạy học những khái niệm cơ bản

đã trở thành những điểm tựa, vũ khí và phương pháp hết sức quan trọng cần thiết cho việc tiếp tục nghiên cứu các chất và hiện tượng hoá học khác một cách dễ dàng, nhanh chóng và có hiệu quả Vì thế việc nghiên cứu môn hoá học trong chương trình phổ thông phải bắt đầu từ việc hình thành một số khái niệm cơ bản chung nhất

Tóm lại, hình thành các khái niệm cơ bản và những quan điểm lý thuyết chủ đạo về hoá học là nhiệm vụ hết sức quan trọng, có ý nghĩa trí, đức dục lớn lao mà người giáo viên phải thực hiện một cách có trách nhiệm với nghệ thuật cao

NIỆM CƠ BẢN TRONG CHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC PHỔ THÔNG

Trước khi xét tới những giai đoạn của sự hình thành các khái niệm

cơ bản về hoá học, chúng ta cần phân tích rõ cấu trúc của chương trình hoá học trường THPT hiện nay Cấu trúc đó có tác dụng quyết định tới việc hình thành các khái niệm hoá học cơ bản

I.2.1 Vấn đề hệ thống hoá kiến thức cơ bản của chương trình hoá học

trường phổ thông

Như chúng ta đã rõ, chương trình hoá học bao giờ cũng là hệ thống những kiến thức cơ bản về hoá học đã được lựa chọn theo những nguyên tắc nhất định, phụ thuộc vào yêu cầu và mục tiêu đào tạo của nhà trường XHCN Việt Nam, vào đặc điểm của sự phát triển hóa học và những quy luật sư phạm nhất định

Chương trình hoá học ở trường phổ thông cũng như của các môn học khác không thể thâu tóm hết được mọi kiến thức của thời đại Chương trình chỉ có thể là hệ thống những kiến thức cơ bản nhất, đã được lựa chọn cẩn thận phù hợp với mục tiêu đào tạo, với trình độ khoa học hiện đại và với thực tiễn Việt Nam, phù hợp với sự phát triển của lứa tuổi học sinh mỗi cấp học Hệ thống những kiến thức đó bao gồm những hiểu biết

cơ bản mấu chốt nhất, có thể dùng làm nền tảng, làm vũ khí để người học

có khả năng tiếp tục đi sâu vào ngành khoa học này cũng như vào các ngành có liên quan Có thể nói đó là hệ thống những hiểu biết quan trọng nhất mà không có chúng thì không thể hiểu và học hoá học được

Tất nhiên chương trình học không phải chỉ bao gồm hệ thống những kiến thức cơ bản nhất đó, nhưng nó tạo thành bộ xương sống cho nội dung dạy học Đó là những kiến thức cơ bản nhất mà học sinh buộc phải biết Bên cạnh đó còn có những kến thức cơ bản nhất thường giúp học sinh suy

ra được những kiến thức khác và chính những kiến thức cơ bản khác này lại giúp đào sâu thêm kiến thức cơ bản nhất đó

Kiến thức có thể biết Kiến thức cần biết Kiến thức buộc phải biết

Phân tích chương trình ta thấy các kiến thức cơ bản thường tập hợp thành những "vùng kiến thức" hay "vùng khái niệm" mà hạt nhân thường

là khái niệm trung tâm, tức là kiến thức cơ bản nhất (buộc phải biết) ở vùng đó Các vùng kiến thức đó được sắp xếp liên tục theo một lôgic rất khoa học, giống như những mắt xích của một chuỗi dây xích

Đối với chương trình hoá học phổ thông Việt Nam, những kiến thức

cơ bản tạo thành nội dung chủ yếu của nó chính là những nhóm khái niệm

- Những khái niệm về cấu tạo chất và về những định luật hóa học chi phối sự tác dụng tương hỗ và những biến hoá của các chất

- Những khái niệm về ứng dụng thực tiễn quan trọng, có tính chất

kỹ thuật tổng hợp của hoá học phục vụ cho cuộc sống, sản xuất và chiến đấu, trong khoa học kỹ thuật

- Những khái niệm về phương pháp nghiên cứu khoa học đặc trưng cho hoá học

Như vậy, có thể nói rằng bộ xương sống của chương trình hoá học trường phổ thông Việt Nam chính là hệ thống những khái niệm cơ bản về hoá học

I.2.2 Các giai đoạn của quá trình hình thành các khái niệm cơ bản

Phân tích cấu trúc của chương trình hoá học trường phổ thông ta thấy rằng, nhìn chung các khái niệm cơ bản về hoá học được hình thành trải qua 4 giai đoạn chính như sau:

- Từ lúc bắt đầu tìm hiều hoá học cho tới trước khi nghiên cứu

- Từ thuyết nguyên tử đến trước lúc nghiên cứu định luật tuần hoàn, thuyết cấu tạo nguyên tử và thuyết điện ly

- Từ sau đó tới trước khi học thuyết cấu tạo hoá học

- Từ thuyết cấu tạo hoá học đến hết chương trình

Việc phân chia quá trình hình thành các khái niệm cơ bản về hoá học thành những giai đoạn nói trên không phải là tuỳ tiện Ta biết rằng, nội dung của khái niệm khoa học phát triển dần dần, ngày càng sâu hơn, chính xác hơn khi nó được soi sáng bởi những quan điểm lý thuyết chủ đạo ngày càng sâu hơn, bản chất hơn Điều này hoàn toàn phù hợp với lý luận nhận thức cũng như với lịch sử của khoa học

Tuy nhiên, nói như thế không có nghĩa là bất cứ khái niệm cơ bản nào cũng buộc phải trải qua 4 giai đoạn đó Muốn biết rằng một khái niệm

cụ thể phải trải qua những giai đoạn nào, người giáo viên phải phân tích sâu sắc chương trình sách giáo khoa Trước hết, phải tìm ra chỗ xuất phát của nó trong hệ thống các khái niệm Nói cách khác, tìm ra vị trí của nó trong sơ đồ chung), từ đó ta mới xem xét nó có thể hình thành ngay tức khắc hay phải trải qua nhiều giai đoạn rồi xem xét nó phải trải qua mấy giai đoạn cụ thể Trong mỗi giai đoạn ấy, nội dung cần truyền thụ phải có mức độ ra sao, phương pháp giảng dạy phải như thế nào cho thích hợp

Thực tiễn giảng dạy ở trường phổ thông cho biết rằng: Muốn hình thành có hiệu quả cho học sinh một khái niệm hoặc hệ thống khái niệm nào đó, người giáo viên cần xét kỹ nhiều mặt của khái niệm trước khi tiến hành giảng dạy Muốn xét kỹ vấn đề này phải xuất phát từ mục tiêu đào tạo của cấp học và nhiệm vụ trí - đức dục của môn học, tức là phải dựa chắc chắn vào nội dung chương trình của môn đó

Mặt khác, quá trình nhận thức của học sinh tuân theo nhận thức luận của Lênin: "Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, từ tư duy

trừu tượng đến thực tiễn" Tuy nhiên, quá trình nhận thức của học sinh có điểm khác biệt đó là nhận thức cái đã biết, đã được loài người đúc kết, do

đó có thể tiến hành nhanh hơn dựa vào kiến thức cơ bản

Nói chung việc nghiên cứu một khái niệm cần trải qua các bước chính sau đây:

- Xét vị trí và tầm quan trọng của khái niệm (hay hệ thống khái niệm) trong chương trình bộ môn

- Xét cấu trúc của khái niệm Khái niệm bao gồm những kiến thức

cơ bản nào mà ta phải hình thành cho học sinh Người ta thường phải căn

cứ trước hết vào quan niệm hiện đại của khoa học hoá học về khái niệm

đó, xét nó trong sự phát triển lịch sử rồi sau đó mới cân nhắc xem trong nhà trường phổ thông, phải lựa chọn những kiến thức nào thuộc khái niệm

đó có thể truyền thụ cho học sinh, cần dựa vào trình độ phát triển chung của học sinh mà xét kỹ khối lượng, mức độ nông hay sâu của những kiến thức đó Như vậy ở đây có 2 bước phải thực hiện:

+ Xét cấu trúc của khái niệm theo quan điểm hiện đại của khoa học (dựa vào chương trình hoá học ở Đại học )

+ Lựa chọn kiến thức và kỹ năng, kỹ xảo cần truyền thụ cho học sinh phổ thông căn cứ vào trình độ phát triển của họ

- Phân tích quá trình hình thành khái niệm (hay hệ thống khái niệm trong suốt chương trình của PTCS và PTTH) Nói cách khác, chúng ta phải xét sự phân chia thành giai đoạn của sự phát triển khái niệm Trong từng giai đoạn khái niệm được hình thành và phát triển ra sao, có những yêu cầu gì cả về kiến thức lẫn kỹ năng và kỷ xảo Ở đây cần phải xem xét từng khía cạnh của khái niệm, tức là những kiến thức cơ bản là thành phần cấu trúc của khái niệm đã được hình thành và phát triển như thế nào một cách độc lập cũng như trong sự tương tác giữa chúng với nhau

- Dựa trên cơ sở của sự phân chia thành giai đoạn, chúng ta mới xét những đặc điểm về mặt sư phạm (phương pháp tổ chức việc dạy học) của từng giai đoạn đó Tìm ra những biện pháp sư phạm hiệu nghiệm nhất, thích hợp với tưng giai đoạn nhằm thực hiện được yêu cầu riêng của giai đoạn đó cũng như yêu cầu chung về việc hình thành khái niệm này Ở đây giáo viên không những phải vận dụng sáng tạo những nguyên tắc dạy học hoá học mà còn phải tìm ra những biện pháp sư phạm tích cực nhất trong kho tàng hiểu biết và kinh nghiệm dạy học của mình về phương pháp và tổ chức

- Cuối cùng, chúng ta phải xét tới việc tổng kết khái niệm, nhằm khái quát hoá cho học sinh những kiến thức lẻ tẻ, từng mặt của hệ thống kiến thức mà các em sắp được tiếp thu trong quá trình hình thành khái niệm này Như vậy các em sẽ nắm vững được khái niệm trong việc hệ thống hoá chặt chẽ Tuỳ từng khái niệm, việc khái quát hoá này có thể làm độc lập, cũng có thể thực hiện trong khi ôn tập và tổng kết các vấn đề khác quan trọng hơn và rộng hơn

Trên đây là nội dung của những bước chính mà người giáo viên phải làm khi nghiên cứu sự hình thành của một khái niệm (hay hệ thống khái niệm) nào đó Tất nhiên đây chỉ là những nét chung

HỌC HỮU CƠ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG

I.4.1 Ý nghĩa và tầm quan trọng của khái niệm

Trong hệ thống các khái niệm hoá học cơ bản ở trường phổ thông thì phản ứng hoá học là một trong những khái niệm quan trọng nhất Việc nghiên cứu các nguyên tố và các hợp chất hoá học của chúng căn bản thông qua việc nghiên cưú các phản ứng hoá học mà chúng thể hiện

Chúng ta biết rằng: Cơ chế phản ứng hoá học là một trong số các khái niệm thành phần của khái niệm phản ứng hoá học, vì vậy muốn hình thành tốt khái niệm phản ứng hoá học cho học sinh chúng ta cần hình thành tốt khái niệm cơ chế phản ứng

Việc nghiên cứu khái niệm cơ chế phản ứng là rất quan trong vì thông qua đó học sinh:

- Hiểu được bản chất của phản ứng hoá học

- Hệ thống hoá được các loại phản ứng hóa học

- Được cung cấp nhiều kiến thức về lĩnh vực giáo dục kỹ thuật tổng hợp, giúp các em hiểu được những vấn đề về thực tiễn sản xuất hoá học như: tăng hiệu suất phản ứng, điều khiển chiều phản ứng, xác định cấu trúc của các hợp chất thiên nhiên từ đó học sinh hiểu được một cách sâu sắc hơn các quá trình sản xuất hoá học và mở ra triển vọng có khả năng điều khiển các quá trình đó theo hướng có lợi cho con người

- Khái niệm cơ chế phản ứng có tác dụng chúng minh khả năng nhận thức thế giới của con người là vô tận, không có giới hạn và thông qua đó tác động mạnh mẽ tới lòng say mê học tập môn hoá học ở học sinh

I.4.2 Khái niệm cơ chế phản ứng

Như đã nói, cơ chế phản ứng là một khái niệm thành phần của khái niệm phản ứng hoá học Vì vậy muốn hình thành tốt khái niệm phản ứng hoá học cho học sinh, chúng ta cần hình thành tốt cho các em khái niệm

cơ chế phản ứng Trong chương trình hoá học thông thường chỉ trình bày các trạng thái đầu và cuối của hệ các chất phản ứng mà không nói rõ quá trình hoá học được thực hiện theo cách nào, tức là không nói rõ cơ chế phản ứng như thế nào

Trước hết chúng ta cần hiểu khái niệm cơ chế phản ứng hóa học

Cơ chế phản ứng hoá học là toàn bộ các trạng thái xảy ra nối tiếp nhau, hay là con đường chi tiết mà hệ các chất phản ứng phải trải qua để tạo ra sản phẩm tương ứng

Có 2 loại cơ chế chủ yếu của phản ứng hoá học trong hoá học hữu

cơ, đó là phản ứng theo cơ chế đồng ly (hay cơ chế gốc) và phản ứng theo

cơ chế dị ly (gồm phản ứng nucleophin và phản ứng electrophin) Trước khi nghiên cứu cơ chế phản ứng, chúng ta cần phân biệt các khái niệm sau:

I.4.2.1 Khái niệm gốc tự do

cacbon và một nguyên tử khác (X = C, O, Hal, H…) trong phân tử chất hữu cơ bị phân cắt theo kiểu:

thì người ta gọi đây là kiểu phân cắt đồng ly

nguyên tử của liên kết đó còn một AO, liên kết mới hình thành trong phân

tử sản phẩm là do sự xen phủ của 2AO ở hai nguyên tử mới tham gia liên kết mới đó Kiểu phân cắt này tạo ra gốc tự do với electron độc thân ở nguyên tử cacbon, gốc này gọi là gốc cacbo tự do

Vậy gốc cacbo tự do là sản phẩm trung gian trong quá trình phản

A : B + C' A: C+B'

Những phản ứng xảy ra theo kiểu như trên gọi là phản ứng đồng ly hay phản ứng theo cơ chế gốc

I.4.2.2 Khái niệm cacbocation, cacbanion

Liên kết C-X trong phân tử hợp chất hữu cơ, ngoài kiểu phân cắt như đã nói ở trên, còn có hai kiểu phân cắt như sau:

từ một nguyên tử nhất định ở liên kết cũ đem lại theo cách phối trí

Chương II:

NộI DUNG Và PHƯƠNG PHáP HìNH THàNH KHáI NIệM

Cơ CHế PHảN ứNG TRONG CHƯƠNG TRìNH

HOá HọC hữU CƠ ở TRƯờNG PHổ THÔNG

II.1 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG THẾ GỐC VÀO HIĐROCACBON NO

II.1.1 Nội dung

Nét đặc trưng của các hợp chất no, đặc biệt là hiđrocacbon no, là tham gia phản ứng thế theo cơ chế gốc SR, trong đó nguyên tử hiđro đính vào cacbon no được thay thế bằng halogen hay một nhóm nguyên tử khác Quan trọng hơn cả là các phản ứng halogen hoá theo cơ chế gốc

Cơ chế chung của phản ứng:

Trạng thái chuyển tiếp

Từ trạng thái chuyển trên, tác nhân tấn công vào hiđro và tấn công phía sau của gốc R

Phản ứng thế theo cơ chế gốc SR trải qua 3 giai đoạn cơ bản sau:

Phản ứng theo cơ chế gốc được đặc trưng bằng chiều dài mạch, tương ứng với một số giai đoạn phát triển mạch, lặp lại nhiều lần cho giai đoạn kích thích Tốc độ giai đoạn này xác định tốc độ chung của phản ứng cũng như tính chọn lọc của phản ứng thế

2C'  C - C

A' + C'  A - C Phản ứng tắt mạch làm mất trung tâm gốc cần thiết cho sự phát triển mạch nên giai đoạn tắt mạch càng lớn thì chiều dài mạch càng nhỏ

Phản ứng tắt mạch có thể thực hiện bằng tương tác của hai gốc tự

do gọi là tổ hợp hoặc bằng chuyển hiđro giữa 2 gốc để tạo thành hợp chất

no và chưa no gọi là sự chuyển không cân đối Nói chung, để trở thành phân tử trung hòa cần 2 gốc tự do Thường phản ứng tổ hợp có tốc độ lớn, thời gian sống của gốc trong dung dịch < 1s Để phản ứng chuyển mạch

có thể kịp cạnh tranh với phản ứng tắt mạch, giai đoạn cơ bản của quá trình phải có năng lượng hoạt hoá < 9,6 - 14,5 kcal/mol

Tốc độ chung của quá trình được xác định bằng tỷ lệ tốc độ của phản ứng kích thích, phát triển mạch và tắt mạch Để đánh giá được khả năng phản ứng gốc có thể dựa vào hiệu ứng nhiệt của phản ứng và hiệu ứng nhiệt của giai đoạn riêng được tính theo năng lượng phân ly liên kết C-H và năng lượng tạo thành

Như vậy, dựa vào H của các giai đoạn riêng có thể xét đoán được khả năng phản ứng, song cũng có trường hợp quan hệ nhiệt động học thuận lợi nhưng năng lượng hoạt hoá giai đoạn chuyển H hay X lớn thì thực tế cũng không xảy ra

II.1.2 Hình thành khái niệm

Xét phản ứng giữa metan và Clo (phần hoá tính - chương hiđrocacbon

no - Lớp 11)

Giáo viên thông báo: Những phân tử Cl2 dưới tác dụng của ánh sáng

bị phân tích thành các nguyên tử Clo riêng rẽ mang những electron chưa kết đôi gọi là gốc tự do Nguyên tử Clo vừa mới tạo ra sẽ tác dụng ngay với phân tử CH4 tạo thành gốc metyl tự do CH3', sau đó gốc CH3'

lại tác dụng với phân tử Cl2 khác tạo thành metylclorua và nguyên tử Clo, quá trình diễn ra liên tiếp theo kiểu dây chuyền Cơ chế toàn bộ phản ứng đó là:

- Giai đoạn khơi mào:

.

2Cl

Cl :

Mỗi cặp hai phản ứng như trên trong giai đoạn phát triển mạch gọi mắt xích Giai đoạn này gồm n mắt xích

Giáo viên cần lưu ý cho học sinh rằng: Phản ứng theo cơ chế gốc phải đảm bảo ba giai đoạn như trên, các gốc tự do sinh ra rất kém bền, thời gian tồn tại chỉ vài phần nghìn giây nên phản ứng xẩy ra theo cơ chế gốc rất mãnh liệt và có thể gây nổ

Ví dụ: Đưa hỗn hợp (Cl2+ CH4) ra ngoài ánh sáng mặt trời là đã gây

nổ

Như vậy do phản ứng xảy ra mãnh liệt nên phản ứng thế Clo vào metan không dừng ở giai đoạn tạo ra sản phẩm thế một lần CH3Cl mà có thể tạo ra hỗn hợp nhiều sản phẩm CH3Cl, CH3,Cl2, CHCl3, CCl4… thậm chí có cả sản phẩm của phản ứng huỷ là muội than Nhưng lưu ý rằng: Việc thế hết các nguyên tử hiđro trong hiđrocacbon no chỉ thực hiện tốt được cho CH4, C2H6, C3H8 Còn đối với các đồng đẳng cao hơn, khi định thế hết hiđrô sẽ xảy ra phản ứng phân cắt liên kết C-C theo kiểu:

Gốc cacbo tự do : bậc 3 > bậc 2 > bậc1

Từ đó rút ra kết luận: Phản ứng thế gốc ưu tiên chạy theo hướng tạo

ra sản phẩm thế bậc cao

Ví dụ:

Giáo viên thông báo: Phản ứng thế Clo vào toluen xảy ra ở nhóm thế CH3 - và phản ứng xảy ra theo cơ chế thế gốc, thể hiện tính chất hoá học đặc trưng của hiđrocacbon no Cơ chế phản ứng này tương tự như cơ chế phản ứng thế ở ankan Vậy điều kiện để phản ứng xảy ra là gì ? Hãy viết cơ chế phản ứng

Sau khi học sinh trả lời xong, giáo viên thông báo tiếp: Phản ứng thế Clo xảy ra đối với toluen dễ hơn ở metan trong cùng điều kiện hỗn hợp phản ứng được chiếu sáng Hãy giải thích điều này?

Gợi ý: Trước đây chúng ta đã được học phần cơ chế phản ứng thế

gốc xảy ra ở ankan, chúng ta biết rằng phản ứng thế gốc ưu tiên chạy theo hướng tạo ra sản phẩm thế bậc cao bởi vì độ bền gốc cacbo tự do giảm dần theo trật tự:

II.2 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG THẾ ELECTROPHIN VÀO NHÂN THƠM

II.2.1 Nội dung:

Vòng thơm kiểu benzen là vòng liên hợp kín rất bền vững và có năng lượng thơm hoá khá lớn (benzen 36 kcal/mol; naphtalen 61 kcal/mol) Vì vậy đối với một hợp chất thơm như benzen chẳng hạn, phản

ứng thế dễ xảy ra hơn phản ứng cộng, vì trong phản ứng cộng hệ thơm bị phá vỡ

Những phản ứng thế ở vòng thơm có thể là thế electrophin SEAr, thế nucleophin SNAr hoặc thế gốc SRAr Tuy vậy, do vòng thơm có mật

độ electron cao và dễ tương tác với những tiểu phân electrophin, cho nên phản ứng thế đặc trưng và phổ biến hơn cả ở các hợp chất thơm là thế electrophin Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ cơ chế phản ứng thế này

Các kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm cho thấy rằng: Hầu hết các phản ứng thế electrophin ở nhân thơm đều xảy ra theo cơ chế phức ỏ

ta có thể mô tả cụ thể cơ chế đó trong trường hợp hợp chất thơm đơn giản nhất là benzen như sau:

tử có sự thiếu hụt electron vì một lý do nào đó về cấu tạo

Thí dụ:

AlCl3, BF3, FeCl3, ZnCl2, SnCl4, ICl, ClNO, ClCN, CO2, RCOCN

B là một bazơ trong hỗn hợp phản ứng Thí dụ: HSO4

(-) (-)

, NO3

(-)

, Hal(-)…

Khi tác nhân electroplin E(+) tấn công vào nhân benzen, trước hết tạo ra phức  như là một tiểu phẩm trung gian không bền trong , hệ electron của nhân thơm vẫn được bảo toàn Tốc độ hình thành và phân huỷ phức  thực tế không ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng cũng như bản chất của sản phẩm hình thành Vì vậy chúng ta có thể bỏ qua sự tạo thành phức 

Phức  - sản phẩm trung gian không không bền của phản ứng thế, là một cation vòng chưa no, trong đó điện tích dương tập trung ở nhân thơm

và giải toả giữa vài nguyên tử Sự hình thành phức  có sự thay đổi trạng thái lai hoá từ Csp

2  Csp3 nên đã phá hủy tính thơm của nhân benzen, do

dó giai đoạn này thu nhiệt

Phức  có một số cấu trúc cộng hưởng, có điện tích dương phân bố

3 trên 5 obitan p của các nguyên tử cacbon

Hệ này trở thành không thơm, có 2 vị trí o- giống nhau và một vị trí

p - mang điện tích dương, còn 2 vị trí m - tương đương nhau mang điện tích dương về hình thức song có bản chất điện tích dương do 2 vị trí bên cạnh mang điện tích dương

Đặc biệt chúng ta cần chú ý đến ảnh hưởng của nhóm thế sẵn có trong vòng benzen đến hướng tấn công của tác nhân Một nhóm thế sẵn có trong nhân benzen có thể hoạt hoá hay phản hoạt hoá nhân thơm, tức là có thể làm tăng hay giảm tốc độ thế electrophin so với trường hợp của benzen Mặt khác, nhóm thế đó có thể định hướng cho thế mới ưu tiên đi vào các

vị trí o-, p- hay ưu tiên vào vị trí m- Điều đó chủ yếu do bản chất electron của nhóm thế đó quyết định

Nói chung, những nhóm thế với hiệu ứng tổng quát là đẩy electron

có tác dụng làm tăng mật độ electron trong vòng benzen, nhất là ở các vị trí o-, p- Ngay cả ở vị trí m- cũng có khả năng phản ứng hơn bất kỳ vị trí nào trong vòng benzen không thế Vì vậy nó hướng sự thế chủ yếu vào vị trí o- và p-

Ngược lại, những nhóm thế với hiệu ứng tổng quát là hút electron

có tác dụng làm giảm mật độ electron trong vòng benzen, nhất là ở các vị trí o-, p- Vì vậy nó hướng sự thế vào vị trí m-

Đặc biệt cần chú ý: Các nhóm thế là halogen như: Cl, Br, I… là những nhóm có hiệu ứng - I > + C nhưng hướng sự thế vào vị trí o-, p-

Tất cả những điều nói trên được khái quát thành quy luật thế sau:

X = CnH2n+1, Hal, NH2 -, -NR2, - OH, - OR, O_

 Định hướng thế vào vị trí o-,p-

 Định hướng thế vào vị trí m- Ngoài ra kích thước của nhóm thế X sẵn có trong vòng benzen cũng ảnh hưởng nhiều đến hướng thế Đôi khi do kích thước của nhóm thế X lớn đến mức sự thế gần như định hướng hoàn toàn vào vị trí p-

II.2.2 Hình thành khái niệm:

Clo và brôm không tác dụng với benzen ở to

thường trong bóng tối (nếu chiếu sáng có thể xảy ra phản ứng cộng)

Giáo viên thông báo: benzen không tham gia phản ứng thế với dung dịch nước brom nhưng lại tham gia phản ứng thế với brom khan (phần hoá tính - Bài "Benzen và các chất đồng đẳng" - Chương hiđrocacbon thơm - Lớp 11) phản ứng xảy ra khi có mặt bột Fe và hỗn hợp phản ứng được đun nóng (mô tả thí nghiệm trong SGK) Đây cũng là phản ứng thế nhưng khác về bản chất so với phản ứng thế ở ankan:

Giáo viên lưu ý học sinh cách đóng khung sự tạo thành sản phẩm

Ở đây Fe không phải là chất xúc tác mà chất xúc tác là FeBr3

Vậy nó được tạo ra bằng cách nào? Từ câu trả lời của học sinh giáo viên thông báo tiếp: FeBr

H + Br - Br Fe

t o

Br + HBr (k)

X

X

FeBr3 + Br - Br FeBr4

-Br+

Như ở phần cấu tạo đã nói, do mật độ e trong vòng benzen khá lớn nên tác nhân electrophin (mang điện tích dương hoặc một phần điện tích dương) sẽ tấn công vào nhân benzen Phản ứng diễn ra như sau:

Đây gọi là cơ chế phản ứng thế electrophin vào nhân thơm

Nếu dùng dư brom phản ứng có thể tạo ra các sản phẩm thế: 1,2 -đi brom benzen; 1,4 - đibrom benzen…

Cơ chế phản ứng thế nucleophin vào nhân thơm tiếp tục được củng

cố và phát triển thông qua một số phản ứng Chẳng hạn phản ứng nitro hoá benzen Ở đây giáo viên thông báo: Dưới tác dụng của axit H2SO4đậm đặc, benzen tham gia phản ứng với axit HNO3 đặc theo như sau:

Vai trò xúc tác của H2SO4 là nhằm tạo ra nhóm nitro (+)NO2:

Trước hết, giáo viên gợi mở: Toluen tham gia phản ứng thế với brom tương tự benzen về cơ chế, nhưng ở đây do ảnh hưởng của nhóm thế -CH3 có sẵn trong vòng benzen mà sự thế định hướng chủ yếu vào vị trí o-, p- (phản ứng này được đưa ra sau khi đã học phản ứng brom hoá benzen) Hãy viết phương trình phản ứng và cho biết điều kiện phản ứng

trong vòng benzen mà Toluen dễ tham gia phản ứng thế với brom hơn benzen Lật lại vấn đề: Trong điều kiện hỗn hợp phản ứng (Toluen + Br2) được đun nóng với bột Fe thì phản ứng thế xảy ra như trên, tức là sự thế xảy ra ở nhân benzen Vậy bây giờ nếu ta thay điều kiện phản ứng trên bằng cách cho hỗn hợp phản ứng được chiếu sáng thì sẽ có phản ứng gì xảy ra ?

Gợi ý: Nhóm -CH3 là gốc của hiđrocacbon no, mà tính chất hoá học đặc trưng của hiđrocacbon no là tham gia phản ứng thế chủ yếu theo cơ chế gốc

Từ đây học sinh dễ dàng dự đoán được sản phẩm thế trong điều kiện này

Giáo viên hỏi tiếp: Vậy cơ chế của phản ứng này như thế nào ? Có giống cơ chế phản ứng thế gốc ở ankan không? Học sinh dễ dàng trả lời câu hỏi này

Giáo viên kết luận: Như vậy, do ảnh hưởng của gốc phenyl C6H5 mà phản ứng thế brom ở Toluen dễ xảy ra hơn ở CH4 trong cùng điều kiện hỗn hợp phản ứng được chiếu sáng

Mối quan hệ về sự ảnh hưởng qua lại của các nguyên tử trong phân

tử tiếp tục được hình thành, khắc sâu thông qua phản ứng nitro hoá tiếp sản phẩm 1 lần thế nitro benzen (sau khi đã học phản ứng nitro hoá benzen)

Giáo viên gợi mở: ở chất đầu là nitro benzen, do vòng benzen đã có sẵn nhóm thế hút electron -NO2 nên phản ứng thế tiếp theo định hướng chủ yếu vào vị trí m- của vòng benzen Hãy viết phương trình phản ứng

Từ những điều đã trình bày ở trên, giáo viên yêu cầu học sinh rút ra quy luật thế trong vòng benzen Sau đó giáo viên kết luận chung:

X = CnH2n+1-, HO-, CH3O-, -NH2, - NR2, Hal…

 Định hướng thế vào vị trí o-, p-

 Định hướng thế vào vị trí

Ta có thể mô tả phản ứng thế nucleophin ở nguyên tử cacbon no bằng

sơ đồ tổng quát:

Y_ + R – X R-Y + X_

X : là nhóm bị thay thế, nó có tính chất hút electron

Y_: là tác nhân nucleophin

Một số phản ứng thế nucleophin quan trọng và thường gặp:

a Chuyển hoá halogen ankyl hoặc arylsunfonat ankyl

( X = Cl, Br, I, OSO2Ar… ) thành ancol ( Y_ = HO-, H2O), thành ete ( Y_: RO,

b Ankyl hoá Amin bằng ankyl halogenua hoặc ankyl aryl sunfonat

c Ankyl hoá dẫn xuất natri hay kali của các pxơđô axit như este malonic, xeton, nitrin… bằng ankyl halogenua hoặc ankyl aryl sunfonat

X

X

d Chuyển hoá ancol (X=OH) thành dẫn xuất halogen nhờ tác dụng của hiđro halogenua, halogenua photpho

SN2 và thế nucleophin đơn phân tử SN1

II.3.1 Nội dung:

trạng thái chuyển tiếp trong quá trình phản ứng Khi tác nhân nucleophin đến gần chất phản ứng, liên kết mới giữa cacbon với nhóm Y được hình thành đồng thời với sự yếu đi và đứt ra của liên kết cũ giữa cacbon với nhóm X

ứng RX) đều tham gia vào giai đoạn quyết định của phản ứng, tức là giai đoạn tạo ra trạng thái chuyển tiếp:

 -  +  -

Trạng thái chuyển tiếp

Thí dụ: Khi cho bromua metyl tác dụng với dung dịch NaOH tạo ra metanol, cơ chế phản ứng như sau:

 -  -

HO- + H – C – Br HO - C - Br HO – C – H + Br-

Trạng thái chuyển tiếp Tốc độ phản ứng:

   

k CH Br HO

v 3

xảy ra theo hai khả năng

Một là tiến công từ phía đối diện của nhóm X, hình thành trạng thái chuyển tiếp I, và cuối cùng tạo ra sản phẩm Y – C R1R2R3 với cấu hình khác hợp chất ban đầu

Hai là, Y- tiến công từ phía có nhóm X, sinh ra trạng thái chuyển tiếp (II) và sản phẩm của phản ứng R1R2R3C-X có cấu hình giống cấu hình của hợp chất ban đầu:

lượng và nghèo năng lượng hay ổn hơn cấu tạo (II) và phản ứng xảy ra theo hướng thứ nhất thuận tiện hơn theo hướng thứ hai

Phản ứng SN2 phụ thuộc rất nhiều vào bản chất electron cũng như cấu trúc không gian của các nhóm thế ở nguyên tử cacbon trung tâm, ngoài ra còn phụ thuộc bản chất của các tác nhân và một số yếu tố khác

Phản ứng SN1 xảyra làm 2 giai đoạn, và sự phân cắt liên kết cũ C – X không đồng thời với sự hình thành liên kết mới C – Y Ở giai đoạn đầu, nhóm

hoá ít hiều Thường thường cabocation này kém bền nên nó phản ứng ngay với bất kỳ tác nhân nucleophin nào xung quanh nó Như vậy giai đoạn chậm quyết định tốc độ của toàn bộ phản ứng là giai đoạn ion hoá:

nhanh

Người ta đã chứng minh rằng giai đoạn ion hoá có tính chất thuận nghịch, trong đó chiều thuận chậm hơn chiều nghịch rất nhiều Về mặt hoá lập thể, ta có thể dự đoán rằng sự tấn công của tác nhân nucleophin (HO, dung môi) vào cacbocation có thể xảy ra từ phía này hay phía kia của ion với xác suất như nhau, vì cacbocation sinh ra trong giai đoạn chậm của phản ứng

có cấu trúc phẳng Như vậy nếu xuất phát từ hợp chất quang hoạt sẽ tạo ra một biến thể raxemic

Như đã nói ở trên, giai đoạn tạo ra cacbocation là giai đoạn chậm quyết

phản ứng càng cao Những nhóm thế có hiệu ứng +I, +C ở vị trí  đối với trung tâm phản ứng làm ổn định cacbocation, làm tăng tốc độ phản ứng:

Ví dụ: (CH3)3 CBr > (CH3)2 CHBr > CH3 CH2 Br > CH3Br

(C6H5)3 CBr > (C6H5)2 CHBr> C6H5CH2Br > CH3Br

II.3.2: Hình thành khái niệm:

Khái niệm: Cơ chế phản ứng thế nucleophin được hình thành cho học

sinh thông qua phản ứng giữa rượu etylic C2H5OH với axit vô cơ HBr (phần hoá tính - Bài “Dãy đồng đẳng của rượu etylic” – Chương ancol, phenol, amin - Lớp 12)

Giáo viên thông báo phản ứng giữa rượu C2H50H với axit HBr xảy ra theo cơ thế nucleophin

R1

Như vậy axit HBr ở đây đóng vai trò gì ?

Dựa vào cơ chế phản ứng có thể trả lời: axit HBr vừa đóng vai trò là chất xúc tác, vừa đóng vai trò là tác nhân nucleophin

Khái niệm cơ chế phản ứng thế nucleophin tiếp tục được củng cố thông

đồng đẳng của rượu etylic”- Lớp 12)

Ở đây giáo viên yêu cầu học sinh viết phản ứng biết rằng phản ứng

tả như thế nào?

phản ứng như: Phản ứng este hoá nhờ xúc tác axit…

II.4 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỘNG ELECTROPHIN VÀO LIÊN KẾT BỘI CACBON-CACBON

II.4.1 Nội dung:

Liên kết bội cacbon - cacbon là tập hợp của một liên kết  và một vài

liên kết , mà ta có thể xem như bằng hiệu của một liên kết đôi với năng lượng của liên kết đơn, thường nhỏ hơn năng lượng của liên kết ỏ Vì vậy, liên kết  dễ dàng chịu tác dụng của các tác nhân electrophin và gốc tự do Những phản ứng quan trọng và phổ biến hơn cả là phản ứng cộng electrophin

AE vào anken và ankin Sau đây chúng ta sẽ đi nghiên cứu cơ chế của phản ứng này

(Hoặc dung môi)

X-Y = Hal2, H- Hal, HOH, Hal – OH…

Phản ứng cộng electrophin vào anken xảy ra theo cơ chế hai giai đoạn Trước hết, phần mang điện dương của tác nhân (X(+)) tấn công vào nối đôi làm đứt liên kết  và hình thành liên kết ỏ mới để tạo ra cacbocation Tiếp theo cacbocation sẽ kết hợp với một tiểu phân mang cặp electron dư, thường

là tiểu phân mang điện âm Trong hai giai đoạn nói trên thì giai đoạn chậm quyết định tốc độ chung của phản ứng

Khảo sát hoá lập thể của phản ứng cộng nucleophin vào Anken chúng

ta thấy rằng: Các nguyên tử liên kết bội với nhau không thể quay tự do quanh trục nối giữa hai nguyên tử được Do đó phản ứng cộng vào anken có thể có hai khả năng: Cả hai tiểu phân cùng kết hợp vào một phía của liên kết đôi, nghĩa là kết hợp cis hoặc hai tiểu phân kết hợp vào hai phía khác nhau của liên kết đôi, tức là kết hợp trans

Trong thực tế, hầu như sự kết hợp vào anken là kết hợp trans

Điều đó có thể giải thích như sau: Đầu tiên tiểu phân electrophin tạo hợp chất vòng ôni với anken, trong đó nó kết hợp với cả hai nguyên tử cacbon của nối đôi Như vậy, một phía của nối đôi bị án ngữ, do đó bazơ phải tấn công vào phía đối lập

 +  -

X +Y(-)

nhanh chậm

X



chậm

C = C + X – Y C C – C –

C -Y(-) Y

Như đã nói ở trên tốc độ chung của phản ứng được quyết định bởi giai đoạn tấn công của tiểu phân mang điện tích dương vào nối đôi và tạo ra một cation trung gian Vì vậy, ta có thể dự đoán rằng: Nếu mật độ electron ở liên kết bội càng cao và nếu cation trung gian càng ổn định thì phản ứng càng dễ xảy ra Như thế, những nhóm đẩy electron liên kết trực tiếp với cacbon mang nối đôi sẽ làm tăng khả năng phản ứng của anken, còn những nhóm hút electron sẽ có ảnh hưởng ngược lại

Các quy luật về ảnh hưởng của nhóm thế đến khả năng tham gia phản ứng cộng electrophin của anken nói chung cũng có thể áp dụng cho các ankin

= Csp2)

phân tử anken đối xứng chỉ có thể tạo ra một sản phẩm cộng Nhưng nếu anken có cấu trúc không đối xứng thì phản ứng cộng có thể theo hai hướng khác nhau

xứng, hiđrô sẽ tấn công vào nguyên tử cacbon mang nối đôi đã được hiđrô hóa nhiều hơn (tức là ít gốc R hơn), phần Y còn lại của tác nhân sẽ đính vào nguyên tử cacbon ít bị hyđrô hoá hơn (tức là có nhiều gốc R hơn)

Nói rộng hơn, đối với một tác nhân XY khi cộng vào nối đôi phần X mang điện dương cộng vào nguyên tử cacbon được hiđrô hoá nhiều hơn, còn phần mang điện âm sẽ cộng vào nguyên tử cacbon còn lại:

Tuy nhiên quy tắc này chỉ áp dụng đúng khi cacbon mang nối đôi có

số hiđrô khác nhau vì khi nghiên cứu những anken có số hiđrô như nhau chúng ta thấy:

_  +

Người ta giải thích quy tắc này bằng hiệu ứng electron Theo quy tắc này cacbocation càng bền thì sự tạo thành nó càng dễ dàng, và độ bền của nó giảm dần theo thứ tự

Cacbocation: bậc 3 > bậc 2 > bậc 1 > CH3(+)

Độ bền của cacboncation không những quyết định hướng của phản ứng

mà còn cả khả năng của phản ứng anken

II.4.2 Hình thành khái niệm:

Cơ chế phản ứng cộng electrophin vào anken được hình thành cho học sinh thông qua phản ứng cộng Clo và Brom vào anken (phần hoá tính- Bài

“Dãy đồng đẳng của etylen” - Chương Hiđrocacbon không no – Lớp 11)

Giáo viên thông báo: Clo và Brom có thể cộng vào liên kết bội cacbon - Cacbon trong bóng tối, không có chất khơi mào tạo gốc và trong môi trường phân cực Khi đó phản ứng diễn ra theo cơ chế cộng electrophin, phản ứng này xảy ra nhanh và dễ dàng ngay ở nhiệt độ phòng, trong dung môi phân cực làm cho các phân tử C2H4 và Br2 cũng bị phân cực hoá:

có thể mô tả như sau: