PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (SN

PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (SN) Khái niệm chung *Phản ứng thế nucleophin SN xảy ra bằng sự tấn công của tác nhân nucleophin (Y) vào trung tâm thiếu electron và sự phân cắt anionit của nhóm đi ra (X) cùng với cặp electron của mình (X:): *Tác nhân Y là anion như C-, H-, O-, S-, N-,...hoặc là những phân tử trung hoà như: HOH, RNH2, PH3... *Tác nhân đi ra X là những nguyên tố hay nhóm có độ âm điện cao đi ra ở dạng anion X- như Hal, OH, OR, OSO2R, OCOR,... hoặc những nhóm chứa điện tích dương đi ra ở dạng phân tử trung hoà như: NR2, SR2. *Trung tâm phản ứng là nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp3, sp2 hay sp và những nguyên tố khác như O, N, S,. *Phản ứng điển hình là phản ứng SN dễ xảy ra ở cacbon lai hoá sp3 có mật độ e nhỏ nhất, hạt nhân không bị chắn và tác nhân dễ tiếp cận. *Phân loại I) Phản ứng thuộc loại đơn phân tử SN1. Phản ứng SN1 thường xảy ra ở cacbon bâc 3 của các gốc ankyl. Sản phẩm là hỗn hợp 2 chất đối hình ( hỗn hợp raxemic) 1) Cách viết cơ chế SN1 Cơ chế : Phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Ở giai đoạn đầu, nhóm X bị tách ra dưới dạng anion X" tạo thành cacbocation, cation này được solvat hoá ít nhiều. Giai đoạn 2: Giai đoạn hai thường cacbocation rất kém bền nên nó phản ứng ngay với bất kỳ tác nhân nucleophin nào xung quanh nó. Giai đoạn này xảy ra nhanh, phụ thuộc vào tương tác tĩnh điện, là tương tác khống chế điện tích, nghĩa là tương tác này được đánh giá bằng lực Coulomb. 2)Giản đồ năng lượng của phản ứng SN1 như sau: 3)Giai đoạn quyết định tốc độ là giai đoạn ion hoá đó là giai đoạn tạo cacbocation 4)Biểu thức tốc độ V = k[RX} - Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào độ bền của cacbocation. Cacbocation càng bền, tốc độ phản ứng càng cao. Nhóm thế có hiệu ứng +I, +C ở vị trí a đối với trung tâm phản ứng làm ổn định cacbocation, làm tăng tốc độ phản ứng: - Tốc độ phản ứng SN1 phụ thuộc vào bản chất nhóm đi ra X, nếu nhóm đi ra X thành dạng X" càng ổn định thì tốc độ phản ứng càng lớn. Các nhóm thế hút electron trong nhóm đi ra làm ổn định điện tích âm ở anion, làm tăng phản ứng. Sự tăng tính ổn định của nhóm đi ra có thể đạt được bằng xúc tác. - Trong phản ứng SN1, tốc độ không phụ thuộc vào nồng độ và bản chất Y nhưng sản phẩm hình thành lại phụ thuộc vào tương tác của cacbocation với Y. Theo nguyên tắc cacbocation có thể tương tác với bất kỳ Y nào có trong dung dịch phản ứng tuy có sự chọn lọc và cạnh tranh." Tương tác của C+ với Y là tương tác axit - bazơ, do đó tương tác phụ thuộc vào tính bazơ của Y. Tốc độ của quá trình tương tác này tăng khi tăng tính bazơ của Y. 5) Sự chuyển vị khi xảy ra phản ứng thế : Do độ bền của cacbocation nên trong các phản ứng thế SN1 có sự chuyển vị cacbocation từ bâc thấp sang bâc cao và sản phẩm thế thu được cũng phụ thuộc vào sự chuyển vị này. Thường có 2 trường hợp chuyển vị Chuyển vị ankyl Chuyển vị hidrua 6)Bản chất của nhóm đi ra X Ví dụ: Phản ứng của dẫn xuất halogen RX tăng khi có xúc tác Ag+ có khả năng tạo phức với halogen. 7)Bản chất tác nhân nucleophin Y 8) Động học của phản ứng Phản ứng SN1 là phản ứng bâc 1. Phản ứng chỉ phụ thuộc vào chất phản ứng mà không phụ thuộc vào tác nhân phản ứng. 9)Ảnh hưởng lâp thể - Trong cacbocation, nguyên tử trung tâm là lai hoá sp2, còn ở chất ban đầu là sp3, nếu tăng thể tích của nhóm thế ở nguyên tử trung tâm, tăng lực đẩy lâp thể và tăng năng lượng của hệ, trong đó trạng thái đầu tăng lớn hơn là cacbocation cho nên trạng thái chuyển đi gần về phái cacbocation hơn. Như vây, tăng thể tích nhóm thế là mất ổn định chất ban đầu nhiều hơn trạng thái chuyển, do đó, tốc độ phản ứng tăng. -Về mặt hoá học lâp thể, hợp chất ban đầu là chiral, nghĩa là có trung tâm bất đối xứng, sẽ tạo thành hợp chất trung gian cacbocation achiral có tinh đối xứng. Tính hình học của cacbocation này có năng lượng cực tiểu nếu có sự phân bố phẳng các liên kết đối với nguyên tử cacbon lai hoá sp2. Cation này có mặt phẳng đối xứng nên là achiral. Tốc độ tương tác của cation này với nucleophin không phụ thuộc vào phái nào của mặt phẳng xảy ra sự tấn công của Y. Như vây, hợp chất ban đầu hoạt động quang học thì sản phẩm tạo thành của SN1 là sản phẩm raxemic hoá. - Tuy vây cũng có những phản ứng còn thu được một lượng sản phẩm quay cấu hình so với chất ban đầu, có thể giải thích bằng sự chắn của nhóm đi ra ở phía nhóm đi ra làm giảm khả năng tấn công vào phía đó của nucleophin. Ví dụ: Khi thuỷ phân 1" phenylmetylclorua thu được hai sản phẩm với tỷ lệ 51 : 49% 10)Ảnh hưởng của dung môi Trong phản ứng SN1, trạng thái chuyển phân cực hơn chất ban đầu nên khi tăng độ phân cực của dung môi, sự sonvat hoá trạng thái chuyển lớn hơn chất ban đầu, năng lượng trạng thái chuyển giảm mạnh hơn chất ban đầu, nên tăng độ phân ly khi tăng độ phân cực dung môi, tốc độ phản ứng tăng. 11) Khả năng cạnh tranh : SN1 và E1: Sản phẩm của phản ứng SN1 bao giờ cũng kèm theo sản phẩm E1 và ngược lại. II ) Phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp lưỡng phân tử nên là SN2 : dẫn xuất bâc 1 tham gia phản ứng SN2 là dễ nhất. Phản ứng xảy ra bằng một giai đoạn tách - cộng qua hợp chất trung gian chứa nối đôi: 1) Cơ chế Sn2 xảy ra qua một giai đoạn, là cơ chế đồng bộ, trực tiếp không có hợp chất trung gian mà tạo thành trạng thái chuyển lưỡng phân tử xác định tốc độ của phản ứng. 2) Giản đồ năng lượng của phản ứng SN2 như sau: 3)Ảnh hưởng cấu trúc chất ban đầu " Khi tăng thể tích nhóm thế ở trung tâm phản ứng, tương tác đẩy lâp thể ở trạng thái chuyển tăng, lớn hơn chất ban đầu, do đó tốc độ phản ứng giảm. 4)Ảnh hưởng của nhóm đi ra X: Tương tự như ở SN1. Khi tăng thể tích của nhóm đi ra, trạng thái chuyển bị mất ổn định hơn là chất ban đầu, do đó tốc độ phản ứng giảm. Vai trò quan trọng là những yếu tố làm ổn định anion hình thành X. Các nhóm đi ra chứa nhóm thế hút electron làm tăng phản ứng Sn2 vì ổn định anion hay điện tích âm hình thành trong trạng thái chuyển. 5)Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin Về mặt lâp thể, thể tích của y tăng làm mất ổn định trạng thái chuyển, làm giảm khả năng phản ứng Về mặt electron, khi chuyển từ chất ban đầu sang trạng thái chuyển, nếu là Y" thì điện tích âm của Y trong phức giảm, nếu Y là phân tử trung hoà thì Y trong phức xuất hiện điện tích dương. Các Y có nhóm thế hút e có tính bazơ giảm, đồng thời cũng làm giảm khả năng phản ứng, chẳng hạn: Khi đưa nhóm thế cho e, tính bazơ của Y tăng làm tăng khả năng phản ứng song mối tương quan này không có tính chất chung cho mọi Y và chỉ so sánh được khi các Y cùng có điện tích âm ở cùng một nguyên tố. * Trong phản ứng SN2, tác nhân Y tấn công vào trung tâm phản ứng bằng khả năng đưa cặp e tham gia vào liên kết với C hay nguyên tử khác có ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng (khác với tính bazơ là ảnh hưởng tới cân bằng). Khả năng đó gọi là tính nucleophin. Tính nucleophin tương đối thay đổi tử phản ứng này tới phản ứng khác nên không có thang tuyệt đối. Có nhiều nhân tố ảnh hưởng tới tính nucleophin nhưng chủ yếu gốm các nhân tố sau: + Năng lượng solvat hoá của Y cao làm giảm năng lượng trạng thái cơ bản so với trạng thái chuyển có điện tích giải toả hơn. + Lực liên kết của Y với 2p của C bằng liên kết bền hơn thì trạng thái chuyển bền hơn nên tăng tốc độ phản ứng thế. + Thể tích Y lớn làm giảm tốc độ phản ứng. + Nguyên tử tấn công vào trung tâm phản ứng của Y có độ âm điện lớn giữ chặt ư hơn nên cần phải có năng lượng lớn hơn để đạt trạng thái chuyển. + Độ phân cực hoá lớn làm dễ dàng biến dạng đám mây e ngoài nên tương tác ổn định trong trạng thái chuyển hơn. +Sự liên quan giữa tính nucleophin và tính bazơ phụ thuộc vào dung môi. Trong dung môi không proton thì hai tính này trùng nhau còn trong dung môi prôton thì hầu như ngược nhau. 6) Ảnh hưởng lập thể Về mặt hoá học lập thể, phản ứng SN2 là quay cấu hình vì hợp chất ban đầu có tính hoạt động quang học sẽ đi qua phức hoạt hoá có trung tâm chiral hay bất đối xứng mà khi thuỷ phân sẽ cho sản phẩm hoạt động quang học. Cấu hình của sản phẩm ngược với cấu hình của chất ban đầu, nghĩa là có sự quay cấu hình, gọi là quay valden. Ví dụ: Khi tác dụng NaI với (S) - 2 - clobutan sẽ thu được (R) - 2- iotbutan H 7)Ảnh hưởng của dung môi -Ảnh hưởng của dung môi tới khả năng phản ứng thể hiện ở hằng số điện môi, trong đó các dung môi phân cực solvat hoá tốt những trạng thái có điện tích định chỗ so sánh giữa chất ban đầu và trạng thái chuyển. -Ảnh hưởng của dung môi rất phức tạp, song cần chú ý rằng vai trò quan trọng của dung môi là solvat hoá điển hình hay solvat hoá đặc biệt và solvat hoá khuếch tán. 8) Khả năng cạnh tranh : SN1 và SN2 + Về mặt hoá học lập thể: Cơ chế SN1 thường cho sản phẩm raxemic hoá còn SN2 có sự quay cấu hình do cấu trúc của chất trung gian cacbocation và trạng thái chuyển phối trí 5, song thực tế tính hoá học lập thể không thu được nghiêm ngặt như vậy. + Hai phản ứng trên chỉ là hai giới hạn về cơ chế, sự thay đổi giữa hai cơ chế phụ thuộc vào thể tích nhóm thế trong chất ban đầu, hiệu ứng e của nhóm thế, nhất là ảnh hưởng của tác nhân Y và dung môi. Nói một cách nghiêm ngặt thì không có sự khác nhau giữa 2 cơ chế đó và phản ứng có thể xảy ra qua những cơ chế trung gian của hai cơ chế đó. SN2 và E2 ………………………………. BÀI TÂP CƠ CHÊ PHẢN ƯNG THẾ NUCLEOPHIN SN1 - SN2 Viết cơ chế phản ứng butan-1-ol tác dụng HBr Viết cơ chế phản ứng ancol t-butylic tác dụng HBr Giải thích pentan-3-ol tác dụng HBr tạo hỗn hợp 3-brompentan và 2-brompentan Phản ứng thế nucleophin những hợp chất cho dưới đây ưu tiên xảy ra theo cơ chế SN1 hay SN2 a) CH3-CH2-CH2-CH-Cl b) CH3-CH2-CH-CH3 │ Cl c) (C6H5)3C-Cl Xếp theo thứ thự khả năng phản ứng thế nucleophin các nhóm hợp chất sau a) etylclorua ; vinylclorua ; alylclorua b) brombezen ; benzylclorua; 1-clo-2-phenyletan Xếp theo thứ thự khả năng phản ứng thế nucleophin SN2 của các nhóm hợp chất sau a) 2-brom-2-metylbutan ; 1-brompentan ; 2-brompentan b) 1-brom-3-metylbutan ; 2-brom-2-metylbutan ; 2-brom-3-metylbutan Xếp theo thứ thự khả năng phản ứng thế nucleophin SN1 của các nhóm hợp chất sau Benzylclorua ; p-clobenzylclorua ; p-metoxibenzylclorua ; p-metylbenzylclorua ; p-nitrobenzylclorua Hết