Bài giảng Hóa học hữu cơ - Chương 3: Cơ chế phản ứng của hợp chất hữu cơ - Phan Thanh Sơn Nam

1Hóa Học Hữu Cơ
TS Phan
Thanh
Sơn Nam
Bộ
môn
Kỹ
Thuật Hữu Cơ
Khoa
Kỹ
Thuật Hóa Học
Trường
Đại Học
Bách
Khoa
TP. HCM
Điện thoại: 8647256 ext. 5681
Email: ptsnam@hcmut.edu.vn
2Chương 3:
CƠ CHẾ
PHẢN ỨNG CỦA HỢP 
CHẤT HỮU CƠ
I.
Phản
ứng
thế
ái
nhân
ở
nguyên
tử
carbon no
I.1. Khái
niệm
chung
• Phản
ứng
thế:
1 nguyên
tử
hay nhóm
nguyên tử
 của chất ban đầu bị
thay
thế
bởi
1 nguyên
tử
hay 
nhóm
nguyên
tử
khác
CH3
-CH2
-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + Cl-
• Tác
nhân
ái
nhân:
các
tác
nhân
mang
điện tích
 âm
(hay phân
tử
trung
hòa
chứa cặp
điện tử
tự
 do) Æ tấn công vào trung tâm tích điện +
3Phản
ứng
thế
ái
nhân
(SN
)
y-
+ R-X Æ R-y + X-
y-: RO-, OH-, RCOO-, NH3, NH2R, H2O, ROH
R: gốc
hydrocarbon
X: Cl, Br, OH, OR, OSO2
R
Ví
dụ:
CH3
-CH2
-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + Cl-
CH3
-CH2
-Br + CH3
O- Æ CH3-CH2-O-CH3 + Br-
CH3
-CH2
-Br + NH3 Æ CH3-CH2-NH2 + HBr
4I.2. Phản
ứng
thế
ái
nhân
lưỡng
phân
tử
(SN
2)
• Lưỡng
phân
tử:
ở
giai
đoạn chậm, có
sự
tham
gia
 của 2 tiểu
phân
a.Cơ
chế:
chaäm
y- + R-X [yδ-... R ... Xδ-] nhanh R-y + X-
traïng thaùi chuyeån tieáp
• Liên
kết giữa
C & y hình
thành
đồng
thời với sự
 yếu
đi & đứt của C & X Æ 2 tiểu phân tham gia
vào giai đoạn chậm
• Nếu y-
không
dư
nhiều:
r = k[y-].[R-X]
phản
ứng
 bậc 2
5Giản
đồ
năng
lượng:
6• R-OH: phản
ứng
thế
chỉ
xảy ra trong môi trường
 acid vì
C-O bền
• Dẫn xuất của
carbon bậc 1 chỉ
cho
SN
2
SN
2: carbon bậc 1 (chỉ
cho
SN
2) > carbon bậc 2 > 
carbon bậc 3 (chỉ
cho
SN
1)
SN
2: CH3
-CH2
-Cl + OH- Æ CH3-CH2-OH + Cl-
7b. Tính
lập thể
của SN
2
Phân
tử
có
chứa C*: sẽ
có
sự
thay
đổi cấu hình (R Æ
S & ngược lại) (nghịch đảo Walden)
C* X
R2
H
R1
C*
R2H
R1
y X C*
R2
H
R1
yy- +
chaäm nhanh
(R)- (S)-
y-
tấn
công
ngược hướng
so với X Æ sản phẩm có
cấu hình ngược với tác chất
8I.3. Phản
ứng
thế
ái
nhân
đơn
phân
tử
(SN
1)
Đơn
phân
tử: ở
giai
đoạn chậm chỉ
có
sự
tham
 gia
của 1 tiểu
phân
a. Cơ
chế
R+
R-X R+ X-chaäm +
+ y- nhanh R-y
• Ở
giai
đoạn chậm: y-
không
tham
gia
• SN
1 thường
có
bậc
1 r = k[R-X]
9Giản
đồ
năng
lượng:
10
Dẫn xuất của
carbon bậc 3 chỉ
cho
SN
1
SN
1: carbon bậc 3 (chỉ
cho
SN
1) > carbon bậc 2 > 
carbon bậc 1 (chỉ
cho
SN
2)
Ví
dụ
SN
1: 
H3C C
CH3
Br
CH3
+ OH- H3C C
CH3
OH
CH3
+ Br-
11
Tính
lập thể
của SN
1
C* X
R3
R2
R1
C*
R3R2
R1
chaäm
C*
R3
R2
R1
y
n h
a n
h
-X- nhanh
C* y
R3
R2
R1
(R1 ≠
R2 ≠
R3 )
Sản phẩm có thể
là
hỗn hợp
racemic
Carbocation
có
cấu trúc phẳngÆ khả năng tấn
công của y- ở 2 phía là như nhauÆ 50% S + 50% R
12
13
I.4. Các
yếu tố ảnh
hưởng
lên
phản
ứng
thế
ái
nhân
a.
Ảnh
hưởng
của gốc R
•
Gốc R bậc
càng
cao:Æ khả năng SN1 tăng & SN2 
giảm
•
SN
1: carbon bậc 3 (chỉ
cho
SN
1) > carbon bậc 2 > 
carbon bậc 1 (chỉ
cho
SN
2)
Do SN
1 phụ
thuộc vào độ
bền của
carbocation
tạo
thành:
H C CH2
H
H
C C+
H
C
H
H
H H
H
H
C C+
C
C
H
H
H H
H
H
H
HH< <<CH3+
14
• SN
2: carbon bậc 1 (chỉ
cho
SN
2) > carbon bậc 2 > 
carbon bậc 3 (chỉ
cho
SN
1)
Bậc của
R càng
caoÆ y- càng khó tấn công do điện tích (+) ở C 
giảm& do hiệu ứng không gian của gốc alkyl Æ SN2 càng khó
xãy ra
15
b. Ảnh
hưởng
của
tác
nhân
ái
nhân
y-
• SN
1: không
phụ
thuộc y-
• SN
2: phụ
thuộc
nhiều
vào
y-
do giai
đoạn chậm có
 y-
tham
gia
•Tác
nhân
có
tính
ái
nhân
càng
cao
thì
càng
dễ
cho
 SN
2
•Thông
thường, tính
ái
nhân
đồng
biến với tính
 base
NH2-
> (CH3
)3
CO-
>
(CH3
)2
CHO-
> C2
H5
O-
>
CH3
O-
 > OH-
> C6
H5
O-
> HCO3-
> CH3
COO-
16
•Trong
cùng
1 phân
nhóm
chính
của bảng
HTTH: 
tính
ái
nhân
nghịch
biến với
tính
base (phản
ứng
 thực hiện
trong
H2
O, ROH):
•Tính
base:
F-
> Cl-
> Br-
> I-
•Tính
ái
nhân:
F-
< Cl-
< Br-
< I-
•Tính
ái
nhân:
HS-
> OH-
•Tính
ái
nhân:
C2
H5
S-
> C2
H5
O-
•Tuy
nhiên
trong
pha
khí, tính
ái
nhân: F-
> Cl-
> Br-
> I-
• Phân
biệt
tính
base & tính
ái
nhân: Tính
base Æ vị
trí cân bằng, tính ái nhânÆ tốc độ!!!
17
c. Ảnh
hưởng
của
nhóm
bị
thế
-X
• Các
nhóm
thế
có
tính
base caoÆ rất khó bị tách
ra, ví dụ: -OH, -OR, -NH2, -F
Ví
dụ:
R-OH + HBrđđ Æ R-Br + H2O cần xúc tác
H2SO4
R-OH không
phản
ứng
với KBr
• Halogen, khả
năng
tách
nhóm:
F-
< Cl-
< Br-
< I-
 (Do I có
bán
kính
lớnÆ C-I dễ phân cực hơn
Năng
lượng
đứt liên kết: C-I < C-Br < C-Cl
< C-F)
18
d. Ảnh
hưởng
của
dung môi
•
Dung môi
phân
cực
có
proton như
H2
O, ROH, 
HCOOH
có
khả
năng
solvate hóa
cao
cả
anion & 
cationÆ thuận lợi cho SN1
C X
R3
R2
R1
C+
R3R2
R1
-X-
chaäm
O
H
H
+ X- H O
H
•Dung môi
phân
cực
không
có
proton như
 (CH3
)2
SO, (CH3
)2
NCHO
không có khả
năng
solvate 
hóa
anion Æ thuận lợi cho SN2
19
II. Phản
ứng
tách
loại
Là
phản
ứng
trong
đó có sự
tách
1nguyên tử
hay 
nhóm
nguyên
tử
ra
khỏi chất ban đầu
R CH2 CH2 Br
RO-
R CH2 CH2 OH
H+
R CH2 CH2 N+R3
HO-
R CH CH2
R CH CH2
R CH CH2
+ HBr
+ HOH
to
to
+ HOH + NR3
to
• Nhóm
bị
tách
cùng
Hβ:
-OH, -OR, -X, -O+(R)2
,
-N+(R)3
, -OSO2
R
• Base sử
dụng:
các
base mạnh
như
OH-, RO-, NH2-
20
II. 1. Phản
ứng
tách
loại lưỡng
phân
tử
(E2
)
a. Cơ
chế
y- +R CH2 CH2 X H C CH2
R
H
yδ− Xδ−
chaäm nhanh
H-y + R CH CH2 + X-
traïng thaùi chuyeån tieáp
•
Ở
giai
đoạn chậm, có
sự
tham
gia
của 2 tiểu
phân
Æ lưỡng phân tử
• Tốc
độ
phản
ứng
r = k[R-X].[y-]
•
R-CH2
-CH2
-OH:
chỉ
tách
loại
trong
môi
trường
acid ở
 to
cao
(thường
là
sulfuric acid, acid rắn)
21
b.Tính
lập thể
của E2
• Các
hydrocarbon không
noÆ tách loại dễ khi
các nhóm bị tách ở vị trí trans với nhau
HOOC Cl
COOHH
OH-
-HCl
COOH
COOH
OH-
-HCl
HOOC Cl
HHOOC
(1) (2)
chlorofumaric acid chloromaleic acid
Tốc
độ
(1) lớn hơn
(2) 30 lần
22
•
Các
hydrocarbon no hay vòng
noÆ tách loại
dễ khi các nhóm bị tách ở vị trí trans, anti với nhau
•
Lưu ý: dẫn xuất của
cyclohexaneÆ chỉ tách được
khi nhóm bị tách ở vị trí trans & phải ở kiểu liên
kết axial (trục)!!!
H
H
Br
CH3
CH3
H
Br
H
CH3
CH3 CH3
+
khoù
saûn phaåm chính
23
II.2. Phản
ứng
tách
loại
đơn
phân
tử
(E1
)
Cơ
chế:
H C C X H C C+ + X-
H C C+ H+ +
chaäm
nhanh
•
Thường
các
dẫn xuất của
hydrocarbon ở
carbon 
bậc 3 bao giờ
cũng
cho
E1• Carbocation
càng
bền, càng
dễ
cho
E1• Tốc
độ
r = k [R-X] 
•
Những
yếu tố
làm
thuận lợi SN
1 cũng
làm
thuận lợi
 cho
E1
24
Ví
dụ:
H3C C Br
CH3
CH3
chaäm
C C+
C
C
H
H
H H
H
H
H
HH
+ Br-
C C+
C
C
H
H
H H
H
H
H
HH
+ C2H5O- nhanh H2C C
CH3
CH3
+ C2H5OH
25
II.3. Hướng
của phản
ứng
tách
loại
a. Quy
tắc
Zaitsev
• Dẫn xuất bậc 1 Æ thường chỉ cho 1 sản phẩm duy
nhất khi tách loại
CH3
-CH2
-CH2
-Br chỉ
cho
CH3
-CH=CH2• Dẫn xuất bậc 2, bậc 3: Æ cho nhiều hơn 1 sản phẩm
H3C C C C H
H
BrH
H
H
OH-
H3C CH CH CH3 (Zaitsev)
H3C CH2 CH CH2
(Hofmann)
H
•
Sản phẩm
Zaitsev
: bền hơn
(do +H) Æ thông
thường, phản ứng tách loại cho sản phẩm
Zaitsev
•
Quy
tắc: phản
ứng
tách
loại sẽ
cho
sản phẩm mà
 carbon của nối
đôi
lkết với
nhiều nhóm alkyl nhất
26
b. Quy
tắc
Hofmann
Khi
gốc R (bậc 1 & 2) của R-X chứa
nhiều
nhóm
thế
 kích
thước lớn, tác
nhân
base có
kích
thước lớn (vd
 (CH3
)3
CO-)
hoặc
X là
nhóm
thế
mang
điện tích dương
 có
kích
thước lớn (vd N+R3
, S+R2
, SO2
R)Æ sản
phẩm Hofmann chiếm chủ yếu (E2)
H3C C CH2 CH3
CH3
Br
(CH3)3CO-
H3C C
CH3
CH CH3
H2C C CH2 CH3
CH3
72%
28%
Nếu
base là
C2
H5
O-
thì
sản phẩm
chính
là
Zaitsev!!!
27
H3C
H
C CH2 CH3
N+(CH3)3
OH- CH2=CH-CH2-CH3
(E2)
CH3CHCH2CH2CH3
SO2CH3
OH- CH2=CH-CH2-CH2-CH3
Lưu ý: Nếu
trong
phân
tử
đã có sẳn 1 nối
đôi
(C=C, 
C=O), sản phẩm liên hợp thường
là
sản phẩm
 chính
(bền hơn)
(E2)
28
II. 4. Quan
hệ
giữa phản
ứng
thế
ái
nhân
& 
tách
loại
• Nhiệt
độ
phản
ứng
càng
caoÆ phản ứng tách loại
càng chiếm ưu thế
CH3-CH2-OH
H2SO4
CH2=CH2
C2H5-O-C2H5<140oC
>170oC + H2O
29
• Gốc R có bậc
càng
cao, hay base càng
mạnh
thì
 tách
loại
càng
chiếm
ưu thế
CH3-CH2-CH2-Br + C2H5O- CH3-CH2-CH2-O-C2H5
to thöôøng
H3C C Br
CH3
CH3
to cao H2C C
CH3
CH3
C2H5O-
30
III. Phản
ứng
cộng
hợp
III. 1. Phản
ứng
cộng
hợp ái điện tử
(AE
)
Phản
ứng
cộng
hợp vào nối
đôi
của
hydrocarbon 
không
no như
alkene, alkyne
với
các
hợp chất như
 X2
(halogen), HX, H2
O, HOX, H2
SO4
C C + X-Y X C C Y
31
• Giai
đoạn 2: C C
X+
Y- nhanh C C
X
Y
Y-
tấn
công
vào
phía
đối lập
với X
a.
Cơ
chế:
•
Giai
đoạn 1:
C C + Xδ+-Yδ− dung moâixuùc taùc C C
Xδ+
Yδ−
 phöùc π
khoâng beàn
nhanh
C+ C
X
chaäm C Cbeàn hoùa
X+
Giai
đoạn chậm: X+ tấn
công
vào
C=C Æ ái điện tử
32
Chứng
minh
AE
có
2 giai
đoạn:
•Phản
ứng
cộng
hợp của CH2
=CH2
với Br2
với sự
 có
mặt của
NaCl, NaNO3
, sản phẩm thu được là 1 
hỗn hợp:
Br-CH2
-CH2
-Br + Br-CH2
-CH2
-Cl + 
Br-CH2
-CH2
-ONO2
•Nếu phản
ứng
thực hiện
trong
dung môi
là
CH3
OH, 
sản phẩm
chính
là
Br-CH2
-CH2
-OCH3
!!!
33
H2C CH2
H2C CH2
H2C CH2
CCl4
H2O
CH3OH
H2C CH2
Br Br
H2C CH2
Br OH
H2C CH2
Br OCH3
+ Br2
+ Br2
+ Br2
34
b. Quy
luật cộng
hợp
•
Quy
tắc
Markonikov
(dành
cho
C=C không
đối
 xứng): H+
sẽ
tấn
công
vào
C chứa
nhiều H
CH3
-CH=CH2
+ H+ Æ CH3-C+H-CH3 (bền hơn) + 
CH3-CH2-C+H2
•
Quy
tắc
Zaitsev-Wagner: H+ sẽ
tấn
công
vào
phía
 tạo
thành
carbocation
trung
gian
bền nhất
CH3-CH=CH-CH2-CH3
HBr
CH3-CH-CH-CH2-CH3
Br
35
c. Hóa
lập thể
của phản
ứng
AE
•
Phản
ứng
cộng
hợp AE
xảy ra theo kiểu
trans Æ
phụ thuộc vào tác chất ban đầu mà có các đồng
phân lập thể khác nhau
•
Đồng
phân
cisÆ sản phẩm threo (nhóm thế tương
đương khác phía)
H
CH3C2H5
H
Br2
H
CH3C2H5
H
Br+
Br-
C2H5
C2H5
H
Br
Br
CH3
H
Br
Br CH3
H
H
Br H
CH3
H Br
C2H5
H Br
CH3
Br H
C2H5
threo-
36
•
Đồng
phân
trans Æ sản phẩm erythro (nhóm thế
tương đương cùng phía)
H
HC2H5
CH3
Br2 Br H
CH3
Br H
C2H5
H Br
CH3
H Br
C2H5
erythro
37
d. Ảnh
hưởng
của
nhóm
thế
liên
kết với nối
đôi
• Nhóm
thế đẩy
điện tửÆ tăng mật độ điện tử của
C=C Æ tăng khả năng phản ứng AE
• Nhóm
thế
hút
điện tửÆ giảm khả năng AE
• Các
nhóm
thế
như
phenyl nếu có khả
năng
cho
 +C với
carbocationÆ bền hóa cationÆ thuận lợi
cho AE
38
Khả
năng
AE
:
O2N H
HH
HOOC H
HH
Cl H
HH
H3C H
HH
H3C CH3
HH
H3C CH3
CH3H
H3C CH3
CH3H3C
< < < < < <
•
Phenyl gây
ảnh
hưởng
mạnh
hơn
1 nhóm
 methyl nhưng
yếu hơn
2 nhóm
methyl
CH3
CH=CH2 < C6
H5
CH=CH2 < (CH3
)2 C=CH2 
39
III.2. Phản
ứng
cộng
hợp
ái
nhân
vào
C=O (AN
)
C O + Xδ+-Yδ− C
OX
Y
X-Y có
thể
là
H-OH, H-OR, H-CN, H-SO3
Na, Li-R, 
BrMg-R
40
a.
Cơ
chế:
2 giai
đoạn, lưỡng
phân
tử
•
Giai
đoạn 1:
Cδ+ Oδ− + Y- chaäm C O-
Y
carbanion
Giai
đoạn chậm: Y-
tấn
công
vào
C+ Æ ái nhân
41
•Giai
đoạn 2:
C O-
Y
C OX
Y
+ X+ nhanh
Phản
ứng
AN
có
thể
không
cần
xúc
tác.
Tuy
nhiên, 
pH có
ảnh
hưởng
Ví
dụ:
Trong
acid yếu (pH 4)
C O + H+ C+ OH
Điện tích (+) của
carbon được tăng
cườngÆ AN càng
thuận lợi
Tuy
nhiên, acid quá
mạnh:
R-NH2 + H+ Æ R-N+ H3
Khả
năng
phản
ứng
với C=O giảm
42
b. Ảnh
hưởng
của
nhóm
thế
liên
kết với C=O
•
Nguyên
tử
C trong
C=O có
điện tích dương
càng
 lớnÆ AN càng thuận lợi
•
Nhóm
thế đẩy
điện tử
(+C, +I, +H) làm
giảm khả
năng
 phản
ứng
•
Nhóm
thế
hút
điện tử
(-C, -I) làm
tăng
khả
năng
phản
 ứng
CH2 C
O
H
CH2 C
O
H
CH3 C
O
H
NO2 Cl H3C C CH3
o
H3C C OR
o
H3C C NH2
o
H3C C O-
o
> > >
> > >
43
IV. Phản
ứng
thế
ái
điện tử
vào
nhân
thơm (SE
)
+ X+ acid + H+
X
•Xúc
tác:
các
acid vô
cơ: H2
SO4
, H3
PO4
, HF
hay Lewis acid: FeCl3
, AlCl3
, ZnCl2
Ví
dụ:
C6
H6
+ (CH3
)3
C-Br /AlBr3Æ C6H5-C(CH3)3 + 
HBr
44
Cơ
chế
phản
ứng: 2 giai
đoạn, lưỡng
phân
tử
• Giai
đoạn 1: tạo phức
σ
( benzonium
cation)
+ Xδ+-Yδ−
xt
nhanh X
δ+-Yδ− phức
π
chaäm
HX HXHX
+ +
+
HX
+
Trong
phức
π: X không
liên
kết trực tiếp với C nào cả
Phức
σ: X có
liên
kết trực tiếp với 1 C của
benzene
phức
σ
45
• Giai
đoạn
2: tách
proton
HX
+
nhanh
X
+ HY
46
+++ Nhóm
thế đẩy
điện tử
(+C, +H, +I)Æ SE tăng
Ví
dụ:
* alkyl +I, +H
*-NR2
(R: H hay gốc
alkyl), -OH, -OCH3
, -NH-CO-CH3
 (+C > -I)
• Anion: -O-
: +C, +I mạnh
+++ Nhóm
thế
hút
điện tử
(-C, -I) Æ SE giảm
Ví
dụ:
•-N+≡N, -NO2
, -CN, -CHO, -COR, -COCl, -COOH, 
-CO-NH2
(-I, -C)
•Cation: -N+R3
(-I mạnh)
* halogen (-I > +C)