Tài liệu Cơ chế phản ứng cơ bản trong hóa hữu cơ
Cơ chế phản ứng cơ bản trong hóa hữu cơ
Cơ chế 1 : Phản ứng SN2.
Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét những gì xảy ra một cách chi tiết. Phản ứng này chỉ xảy ra trong một bước. Để cho phản ứng xảy ra thì tác nhân nucleophin phải tiến đến đủ gần chất phản ứng để có sự hình thành liên kết, nhưng bên cạnh đó thì liên kết cacbon – halogen cũng sẽ bị bẻ gãy. Cả hai qúa trình này đều cần có sự cung cấp năng lượng. Cơ chế của phản ứng và giản đồ năng lượng được mô tả như sau
Phản ứng tiếp diễn, năng lượng tiếp tục tăng lên cho đến khi hình thành liên kết giữa cacbon và tác nhân nucleophin. Năng lượng giải phóng ra đủ để bù lại mức năng lượng cần thiết để bẻ gãy liên kết cacbon – halogen. Ở thời điểm hình thành trạng thái chuyển tiếp thì năng lượng đạt cực đại, đó là thời điểm mà 1/2 liên kết cacbon – halogen bị bẻ gãy và 1/2 liên kết cacbon – nucleophin được hình thành. Lúc này sẽ có hai con đường làm giảm năng lượng của hệ là trở lại chất phản ứng hoặc hình thành sản phẩm. Bức tranh về trạng thái chuyển tiếp chính là chìa khóa để hiểu rõ tính chất của phản ứng này.
Mức năng lượng cần thiết để đưa chất phản ứng và tác nhân nucleophin đến trạng thái chuyển tiếp (transition state) được gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Phản ứng xảy ra càng nhanh khi năng lượng hoạt hóa càng nhỏ.
Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc của trạng thái chuyển tiếp:
Khi hai nhóm thế chính gắn vào cacbon bị ảnh hưởng bởi nguyên tử hydro thì lực tương tác giữa nguyên tử hydro và nhóm thế nhỏ và không cần phải tốn nhiều năng lượng để thắng lực này—> năng lượng hoạt hóa thấp. Khi thay H bằng một nhóm -CH3 chẳng hạn thì năng lượng hoạt hóa sẽ tăng lên, phản ứng xảy ra chậm hơn. Chính vì vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 như sau: metyl > dẫn xuất bậc 1 > dẫn xuất bậc 2 > dẫn xuất bậc 3.
Nghiên cứu về trạng thái chuyển tiếp của phản ứng SN2 sẽ cho ta thấy một tính chất khác của phản ứng này. Hãy lưu ý rằng là tác nhân nucleophin tấn công từ phía sau so với hướng mà nhóm halogen đi ra. .
Kết qủa của qúa trình này là sự đổi quay. Nếu chúng ta vẽ công thức 3D thì sẽ dễ dàng thấy được tính chất này. Ví dụ:
Nếu như chất phản ứng có cấu hình R thì sản phẩm sẽ có cấu hình S và ngược lại. Tức là nếu như chúng ta hiểu được cấu hình của chất đầu thì chúng ta sẽ dễ dàng suy ra được cấu hình của sản phẩm và ngược lại nếu trong một phản ứng thế mà có sự đổi quay thì đó là phản ứng SN2.
Nguyên tử cacbon ở chất phản ứng có trạng thái lai hóa sp3 và điều này cũng được giữ nguyên ở sản phẩm. Ở trạng thái chuyển tiếp thì ba nhóm thế đính với C không tham gia phản ứng hầu như là phẳng, điều này là do nguyên tử cacbon lúc này ở trạng thái lai hóa sp2. Chính vì vậy ta có thể kết luận rằng phản ứng thế SN2 chỉ có thể xảy ra ở nguyên tử cacbon lai hóa sp3 mà thôi.
Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của chất ban đầu và sản phẩm theo biểu thức: v = k[Nu][dẫn xuất Halogen]
Ở trạng thái chuyển tiếp thì liên kết cacbon – halogen bị đứt ra cho nên nếu liên kết này càng dễ đứt thì phản ứng càng dễ. Vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 giảm theo thứ tự: RI > RBr > RCl > RF
Liên kết C – F thì rất bền nên khó bị bẻ gãy, còn dẫn xuất iot thì rất hoạt động nên khó có thể bảo quản nó. Chính vì vậy sự lựa chọn tốt nhất là dẫn xuất brom hay clo.
Cơ chế 2 : Phản ứng SN1.
SN1 là cơ chế phản ứng thế đơn phân tử, có tốc độ phản ứng được biểu diễn bởi biểu thức v = k[R-X]
Đây là một cơ chế nhiều giai đoạn với những tính chất chính như sau.
Bước 1:
Giai đoạn chậm, sẽ xảy ra sự phân cắt dị li để tạo thành cacbocation. Bước này quyết định tốc độ phản ứng.
Bước 2:
Tác nhân nucleophin tấn công nhanh vào cacbocation để hình thành nên liên kết sigma mới.
Giản đồ trạng thái chuyển tiếp của phản ứng có dạng:
 |
| Giản đồ trạng thái chuyển tiếp |
Như ta đã biết, cacbocation hình thành có cấu trúc phẳng nên tác nhân nucleophin có thể tấn công từ phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng cacbocation với xác suất như nhau nên nếu chất đầu là một chất quang hoạt thì sản phẩm hình thành sẽ là biến thể raxemic
Chính vì trong tiến trình phản ứng có sự tạo thành cacbocation nên sẽ xảy ra khả năng chuyển vị thành cacbocation bền hơn. Điều này chúng ta sẽ xét sau.
Cơ chế 3 : Phản ứng E2
E2: Phản ứng tách lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[B-][R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra)
Cơ chế của phản ứng được biểu diễn như sau:
Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng
1) Ảnh hưởng của nhóm R
Trong phản ứng E2 thì có sự chuyển đổi về dạng lai hóa của nguyên tử C, từ Csp3 về Csp2. Chính vì vậy phản ứng tách E2 xảy ra dễ dàng nếu như cacbon bị tách có bậc càng cao. Điều này thì giống với E1.
2) Ảnh hưởng của nhóm đi ra
Liên kết C – LG bị bẻ gãy trong tiến trình phản ứng, chính vì vậy nhóm đi ra càng tốt thì tốc độ phản ứng càng tăng. Tuy nhiên nếu nhóm thế qúa dễ dàng đi ra thì phản ứng sẽ xảy ra theo cơ chế E1.
3) Ảnh hưởng của bazơ
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. Rất nhiều các bazơ mạnh tham gia phản ứng E2.
4) Hóa lập thể
Phản ứng E2 xảy ra dễ dàng khi nguyên tử H và nhóm đi ra là ở vị trí đối anti trong cấu dạng Newman. Điều này sẽ làm cho liên kết đơn bị đứt ra hết sức dễ dàng để hình thành nên liên kết pi.
Phản ứng E2 xảy ra khi
– Nồng độ bazơ mạnh lớn
– Nhóm đi ra khó
– Sự cắt đứt liên kết R – LG không dẫn đến sự hình thành cacbocation bền (E1)
Cơ chế 4 : Phản ứng E1
E1: Phản ứng tách đơn phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra)
Cơ chế của phản ứng được biểu diễn như sau:
Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng
1) Ảnh hưởng của nhóm R
Trong phản ứng E1 thì tốc độ phản ứng được quyết định ở giai đoạn 1, đó chính là giai đoạn loại bỏ nhóm đi ra để hình thành cacbocation. Chính vì vậy cacbocation càng bền thì tốc độ phản ứng càng lớn.
Do có sự hình thành cacbocation ở trạng thái chuyển tiếp cho nên trong phản ứng luôn kèm theo sự chuyển vị (ví dụ: chuyển vị 1,2 – hydrua hay 1,2 – ankyl) để hình thành nên cacbocation bền vững hơn
2) Ảnh hưởng của nhóm đi ra
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.
3) Ảnh hưởng của bazơ
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.
4) Hóa lập thể
Phản ứng E1 xảy ra theo hương ưu tiên tạo thành anken bền hơn, đó chính là anken nhiều lần thế hơn và đồng phân trans được ưu tiên tạo thành hơn đồng phân cis.
Phản ứng E1 xảy ra khi
– Bazơ được sử dụng là bazơ yếu
– Nhóm đi ra dễ
– Cacbocation hình thành phải bền vững.
Một số vấn đề về cơ chế phản ứng Hóa lập thể động.
1) Phản ứng SN2.
Ở đây như ta đã biết trong phản ứng SN2 luôn có sự tấn công sau của nhóm thế, tạo thành sản phẩm có cấu hình ngược với cấu hình chất ban đầu. Nếu chất đầu có cấu hình R thì ngược lại sản phẩm phải có cấu hình là S.
2) Phản ứng SN1
Như đã biết phản ứng này đi qua trung gian cacbocation phẳng nên tác nhân nucleophin có thể tấn công vào cả hai phía của nhóm thế tạo hỗn hợp raxemic, tuy nhiên điều đó không hẳn đúng. Trong rất nhiều trường hợp người ta thu đựơc các sản phẩm quay cấu hình trong SN1. Lý do vì trong quá trình tạo thành ion thì ion âm chưa đi ra xa hẳn cacbocation nên chắn mất một phía tấn công, vì thế sản phẩm trong nhiều trường hợp là quay cấu hình.
3) Phản ứng SNi
Trong phản ứng thế nucleophin loại này thì thường sản phẩm thu được là giữ nguyên cấu hình do sự tấn công cùng một phía với nhóm đi ra. Hiện cơ chế chuyển vòng đã bị bác bỏ bởi nhiều lý do khác nhau, cơ chế được chấp nhận rộng rãi hiện nay là cơ chế đi theo sự tạo thành cacbocation như hình dưới
Tuy nhiên nếu trong hệ phản ứng có một tác nhân bazơ như pyridin thì sẽ lại cho sản phẩm nghịch chuyển cấu hình như SN2
4) Phản ứng SE :
Thường phản ứng SE hay gặp trong các hệ thơm và ít gây ra ảnh hưởng về sự thay đổi cấu hình nhưng nó lại làm thay đổi nhiều sự định hướng nhóm thế trong một số trường hợp vì kích thước nhóm thế quá lớn. Chẳng hạn như áp dụng phản ứng Friedel – Crafts vào tert-butylbenzen cho sản phẩm thế chủ yếu vào vị trí para
Sau khi kết thúc phần phản ứng thế thì bây giờ chúng ta sẽ chuyển qua phản ứng tách. Có ba cơ chế phản ứng tách là E1, E2 và E1cB. Trong đó chỉ có E2 là đáng chú ý về mặt lập thể.
Hóa lập thể của cơ chế tách E2.
Phản ứng tách E2 chỉ xảy ra khi các trung tâm phản ứng ở vị trí anti đối với nhau trong công thức chiếu Newman hay công thức chiếu phối cảnh, do ở trạng thái này thì sự xen phủ tạo liên kết pi là tốt nhất. Ví dụ:
Trong các hợp chất vòng xiclohexan thì sự tách E2 chỉ xảy ra khi các nhóm thế ở vị trí diaxial đối với nhau, vì điều này thỏa mãn điều kiện các trung tâm phản ứng ở vị trí anti:
Ngoài ra người ta cũng đã tìm đựơc một số phản ứng tách syn E2, nhưng ít được nghiên cứu do tính ít phổ biến của nó:
Đối với phản ứng tách E1 thì đi qua trung gian là cacbocation, và hầu hết các phản ứng tách theo E1 đều cho trans-anken bền hơn.
Phản ứng E1cB thường xảy ra với các nhóm đi ra khó, và đi qua trung gian cacbanion ví dụ:
Lập thể của phản ứng này cũng tương tự E1
Với phản ứng cộng electrophin vào liên kết bội thì tuỳ từng tác nhân mà có thể quan sát được các mô hình lập thể khác nhau. Trường hợp hay gặp nhất là các phản ứng cộng trans khi cho anken tác dụng với halogen. Các phản ứng này đi qua một cation oni vòng trung gian (chỉ có clo và brom mới có được khả năng này). Các cation oni vòng này đã đựơc thực nghịêm xác nhận bằng NMR, điều đó chứng minh tính đúng đắn của cơ chế này
—
Sản phẩm của đồng phân trans là đồng phân meso, còn cis là một cặp đối quang
Khi tiến hành cộng hydro halogenua vào anken người ta cũng quan sát thấy hướng cộng trong đại đa số trường hợp là trans. Điều này dẫn tới một ý nghĩ là cơ chế sẽ đi qua một ion vòng cầu hidrogenoni trung gian gây cản trở lập thể. Thực tế điều này tuy được chấp nhận, nhưng số bằng chứng thực nghiệm hiện vẫn chưa nhiều:
Ngoài ra người ta cũng quan sát được phản ứng cộng cis vào anken, thuộc loại này là cơ chế oxy hóa anken bởi OsO4, bởi KMnO4 và phản ứng cộng B2H6 vào anken
Đặc biệt là cơ chế phản ứng cộng hydro vào anken là một quá trình cộng cis:
Đây là cơ chế cộng hydro vào anken với xúc tác Wilkinson
Đây là cơ chế cộng hydro và anken với xúc tác hấp phụ (Ni, Pt…)
Về phản ứng cộng AN sẽ giới thiệu đôi chút về quy tăc Cram, là phương pháp hay gặp trong chương trình phổ thông, sau đó sẽ mở ra một mô hình hiện đại hơn là mô hình Felkin – Anh
Quy tắc Cram cho phản ứng cộng nucleophin vào hợp chất cacbonyl có thể được minh họa như sau:
Và có thể được phát biểu dưới dạng: “Tác nhân nucleophin sẽ tấn công vào hướng ít bị chắn lập thể nhất để tạo sản phẩm chính” (hướng giữa nhóm thế lớn nhất và bé nhất, hay hướng Si trên hình vẽ)
Hiện quy luật này chỉ còn đúng với phản ứng cộng hợp chất cơ magie (RMgBr) vào hợp chất cacbonyl.
Nguồn:
