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

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

1. Hĩa HọcHữuCơ TS Phan Thanh SơnNam Bộ mơn Kỹ ThuậtHữ uCơ Khoa Kỹ Thu ậ tHĩaHọc Trường ĐạiHọc Bách Khoa TP. HCM Điệntho ại: 8647256 ext. 5681 Email: ptsnam@hcmut.edu.vn 1
2. Chương 3: CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA HỢP CHẤT H ỮU CƠ I. Phản ứng thế ái nhân ở nguyên tử carbon no I.1. Khái niệ m chung • Phản ứng thế: 1 nguyên tử hay nhĩm nguyên tử củachấ tban đầub ị thay th ế b ởi 1 nguyên tử hay nhĩm nguyên tử khác - - CH3-CH2-Cl + OH Ỉ CH3-CH2-OH + Cl • Tác nhân ái nhân: các tác nhân mang điệntích âm (hay phân t ử trung hịa ch ứac ặp điệ ntử tự 2 do) Ỉ tấn cơng vào trung tâm tích điện+
3. Phản ứng thế ái nhân (SN) y- + R-X Ỉ R-y + X- - - - - y : RO , OH , RCOO , NH3, NH2R, H2O, ROH R: gốc hydrocarbon X: Cl, Br, OH, OR, OSO2R Ví dụ: - - CH3-CH2-Cl + OH Ỉ CH3-CH2-OH + Cl - - CH3-CH2-Br + CH3O Ỉ CH3-CH2-O-CH3 + Br CH3-CH2-Br + NH3 Ỉ CH3-CH2-NH2 + HBr 3
4. I.2. Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử (SN2) • Lưỡng phân tử: ở giai đoạnchậm, cĩ sự tham gia củ a2 tiể u phân a.Cơ chế: chậm δ- δ- nhanh - y- + R-X [y R X ] R-y + X trạng thái chuyển tiếp • Liên kếtgiữa C & y hình thành đồng thờivớisự yếu đi& đứtcủaC & X Ỉ 2 tiểu phân tham gia vào giai đoạnchậm • Nếuy- khơng dư nhiều: r = k[y-].[R-X] phản ứng 4 bậc2
5. Giản đồ năng lượng: 5
6. • R-OH: phản ứng thế chỉ xảyratrongmơitrường acid vì C-O bền • Dẫnxuấtcủa carbon bậc1 chỉ cho SN2 SN2: carbon bậc1 (chỉ cho SN2) > carbon bậc2 > carbon bậc3 (c hỉ cho SN1) - - SN2: CH3-CH2-Cl + OH Ỉ CH3-CH2-OH + Cl 6
7. b. Tính lậpthể củaSN2 Phân tử cĩ chứaC*: sẽ cĩ sự thay đổicấuhình(R Ỉ S & ng ượclại) (ngh ịch đ ảo Walden) R R1 1 R1 - chậm nhanh y + H C* X yXC* y C* H R2 R2 H R2 (R)- (S)- y- tấn cơng ngượchướng so vớiX Ỉ sảnphẩmcĩ 7 cấuhìnhng ới tác chất
8. I.3. Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử (SN1) Đơn phân tử: ở giai đoạnchậmchỉ cĩ sự tham gia c ủa1 tiểu phân a. Cơ chế chậm R-X R+ + X- R+ + y- nhanh R-y • Ở giai đoạnchậm: y- khơng tham gia S 1 thư ng cĩ b c 1 r = k[R-X] 8 • N ờ
9. Giản đồ năng lượng: 9
10. Dẫnxuấtcủa carbon bậc3 chỉ cho SN1 SN1: carbon bậc3 (chỉ cho SN1) > carbon bậc2 > carbon bậc1 (chỉ cho S 2) N Ví dụ SN1: CH3 CH3 - - H3CCBr + OH H3CCOH + Br CH3 CH3 10
11. Tính lậpthể củaSN1 R1 y C* R2 R h R1 1 R3 han chậm n R C* X C* 2 - n -X han h R R3 R2 R3 1 R2 C* y R3 (R1 ≠ R2 ≠ R3) Sảnphẩmcĩthể là hỗnhợp racemic Carbocation cĩ cấutrúcphẳng Ỉ khả năng tấn cơng củay- ở 2 phía là như nhau Ỉ 50% S + 50% R 11
12. I.4. Các yếutốảnh hưởng lên phản ứng thế ái nhân a.Ảnh hưởng củagốcR • GốcR bậc càng cao: Ỉ khả năng SN1 tăng & SN2 giảm • SN1: carbon bậc3 (chỉ cho SN1) > carbon bậc2 > carbon bậc1 (chỉ cho S 2) N Do S 1 phụ thuộcvàođộ bềncủa carbocation tạo thành: N H H H H HH C H CH + < HCCH < H CC+ < 3 2 H CC+ H HH C H HH C H H H13
13. • SN2: carbon bậc1 (chỉ cho SN2) > carbon bậc2 > carbon bậc3 (chỉ cho S 1) N Bậccủa R càng cao Ỉ y- càng khĩ tấn cơng do điệntích(+) ở C giảm & do hiệu ứng khơng gian củagốcalkyl Ỉ SN2 càng khĩ xãy ra 14
14. b. Ảnh hưởng của tác nhân ái nhân y- - • SN1: khơng phụ thuộcy - • SN2: phụ thuộc nhiều vào y do giai đoạnchậmcĩ - y tham gia •Tác nhân cĩ tính ái nhân càng cao thì càng dễ cho SN2 •Thơng thường, tính ái nhân đồng biếnvớitính base - - - - - NH2 > (CH3)3CO > (CH3)2CHO > C2H5O > CH3O - - - - > OH > C H O > HCO > CH COO 15 6 5 3 3
15. •Trong cùng 1 phân nhĩm chính củabảng HTTH: tính ái nhân ngh ịch biế nvới tính base (phản ứng thựchi ện trong H2O, ROH): •Tính base: F- > Cl- > Br- > I- •Tính ái nhân: F- OH- - - •Tính ái nhân: C2H5S > C2H5O •Tuy nhiên trong pha khí, tính ái nhân: F- > Cl- > Br- > I- • Phân bi ệt tính base & tính ái nhân: Tính base Ỉ vị 16 trí cân bằng, tính ái nhân Ỉ tốc độ!!!
16. c. Ảnh hưởng của nhĩm bị thế -X • Các nhĩm thế cĩ tính base cao Ỉ rấtkhĩbị tách ra, ví dụ : -OH, -OR, -NH2, -F Ví dụ: R-OH + HBrđđ Ỉ R-Br + H2O cầnxúctác H2SO4 R-OH khơng phản ứng vớiKBr • Halogen, khả năng tách nhĩm: F- < Cl- < Br- < I- (Do I cĩ bán kính lớ n Ỉ C-I dễ phân cựch ơn Năng lượng đứ tliênk ế t: C-I < C-Br < C-Cl < C-F) 17
17. d. Ảnh hưởng của dung mơi • Dung mơi phân cực cĩ proton như H2O, ROH, HCOOH cĩ khả năng solvate hĩa cao cả anion & cation Ỉ thuậ nlợichoSN1 R1 R1 H chậm + + X- R2 CX-X- C O HO R3 R2 R3 H H •Dung mơi phân cực khơng cĩ proton như (CH3)2SO, (CH3)2NCHO khơngcĩkh ả năng solvate hĩa anion Ỉ thuậnlợichoS 2 18 N
18. II. Phản ứng tách loại Là phản ứng trong đĩcĩs ự tách 1nguyên tử hay nhĩm nguyên tử ra khỏich ấtban đầu RO- RCH2 CH2 Br RCHCH2 + HBr to H+ RCH2 CH2 OH RCHCH2 + HOH to - + HO RCH2 CH2 N R3 RCHCH2 + HOH + NR3 to + • Nhĩm bị tách cùng Hβ: -OH, -OR, -X, -O (R)2, -N+(R) , -OSO R 3 2 - - 19 - • Base sử dụng: các base mạnh như OH , RO , NH 2
19. II. 1. Phản ứng tách loạilưỡng phân tử (E2) a. Cơ chế R - chậm δ− δ− nhanh y + RCH2 CH2 X y HCCH2 X H trạng thái chuyển tiếp - H-y + RCHCH2 + X • Ở giai đoạnchậm, cĩ sự tham gia của2 tiểu phân Ỉ lư ỡ ng phân tử • Tốc độ phản ứng r = k[R-X].[y-] • R-CH2 -CH 2-OH: ch ỉ tách loại trong mơi trường acid ở 20 to cao (thường là sulfuric acid, acid rắn)
20. b.Tính lậpthể củaE2 • Các hydrocarbon khơng no Ỉ tách loạidễ khi các nhĩm bị tách ở vị trí trans với nhau (1) COOH (2) HOOC Cl HOOC Cl - OH OH- -HCl -HCl H COOH HOOC H COOH chlorofumaric acid chloromaleic acid 21 Tốc độ (1) l (2) 30 lần
21. • Các hydrocarbon no hay vịng no Ỉ tách loại dễ khi các nhĩm bị tách ở vị trí trans , anti vớinhau • Lưuý: dẫnxuấtcủa cyclohexane Ỉ chỉ tách được khi nhĩm bị tách ở vị trí trans & phải ở kiểu liên kết axial (trục)!!! Br CH3 + H H CH3 CH3 sản phẩm chính Br khó H H 22 CH3 CH3
22. II.2. Phản ứng tách loại đơn phân tử (E1) Cơ chế: chậm HCC X HCC+ + X- nhanh + HCC+ H + • Thường các dẫnxuấtcủa hydrocarbon ở carbon bậc3 baogiờ cũng cho E1 • Carbocation càng bề n, càng dễ cho E1 • Tốc độ r = k [R-X] • Những yế utố làm thuậnlợiSN1 cũng làm thuậnlợi 23 cho E 1
23. Ví dụ: H CH3 HH C H chậm - H3CCBr H CC+ + Br CH3 HH C H H H HH C H CH3 + - nhanh H CC + C2H5O H2CC + C2H5OH HH C H CH3 H 24
24. II.3. Hướng củaphản ứng tách loại a. Quy tắc Zaitsev • Dẫnxuấtbậc1 Ỉ thường ch ỉ cho 1 sảnphẩmduy nhấtkhitáchloại CH3-CH2-CH2-Br chỉ cho CH3-CH=CH2 • Dẫnxuấtbậc2, bậc3: Ỉ cho nhiềuhơn1 sảnphẩm H H H H3CCH CH CH3 (Zaitsev) OH- H3CCC C H H Br H (Hofmann) H3CCH2 CH CH2 • Sảnphẩm Zaitsev : bềnhơn (do +H) Ỉ thơng thườ ng, phản ứng tách loạicho sảnphẩm Zaitsev • Quy tắc: phản ứng tách loạisẽ cho sảnphẩmmà 25 carbon củ anối đơi lk ếtv i nhiề unhĩmalkyl nhất
25. b. Quy tắc Hofmann Khi gốcR (bậc1 & 2) củaR-X chứa nhiều nhĩm thế kích th ướclớn, tác nhân base cĩ kích thướcl ớn(vd - (CH3)3CO ) hoặc X là nhĩm thế mang điệntíchd ương cĩ kích thướclớn(vdN+R , S+R , SO R ) Ỉ sản 3 2 2 phẩm Hofmann chiếmchủ yếu(E2) CH3 H C C CH CH 72% CH 2 2 3 3 - (CH3)3CO H3CCCH2 CH3 Br CH3 28% H3CCCH CH3 - 26 Nếu base là C2H5O thì chính là Zaitsev!!!
26. H OH- H3C C CH2 CH3 CH2=CH-CH2-CH3 + (E2) N (CH3)3 OH- CH3CHCH2CH2CH3 CH2=CH-CH2-CH2-CH3 (E2) SO2CH3 Lưuý:Nếu trong phân tử đãcĩsẳn1 nối đơi (C=C, C=O), sảnph ẩmliênh ợ pth ường là sảnph ẩm chính (bềnhơn) 27
27. II. 4. Quan hệ giữaphản ứng thế ái nhân & tách loại • Nhiệt độ phản ứng càng cao Ỉ phản ứng tách loại càng chi ếm ưuthế 170 C CH2=CH2 + H2O 28
28. • GốcR cĩbậc càng cao, hay base càng mạnh thì tách lo ại càng chiếm ưuthế to thường - CH -CH -CH -O-C H CH3-CH2-CH2-Br + C2H5O 3 2 2 2 5 CH 3 - CH3 C2H5O H CCBr H CC 3 to cao 2 CH3 CH3 29
29. III. Phản ứng cộng hợp III. 1. Phản ứng cộng hợpáiđiệntử (AE) Phản ứng cộng hợpvàonối đơi của hydrocarbon khơng no nh ư alkene, alkyne với các h ợpchấtnhư X2 (halogen), HX, H2O, HOX, H2SO 4 CC + X-Y XCC Y 30
30. a.Cơ chế: • Giai đoạn1: δ+ δ− dung môi CC + X -Y chậm + bền hóa xúc tác CC C C CC Xδ+ X X+ nhanh Yδ− phức π không bền Giai đoạnchậm: X+ tấn cơng vào C=C Ỉ ái điệntử Y nhanh • Giai đoạn2: Y- CC CC X+ X 31 Y- tấn cơng vào đốilập vớiX
31. Chứng minh AE cĩ 2 giai đoạn: •Phản ứng cộng hợpcủaCH2=CH2 vớiBr2 vớisự cĩ mặtcủ a NaCl, NaNO 3, sảnphẩ mthu đượclà1 hỗnhợ p: Br-CH2-CH2-Br + Br-CH2-CH2-Cl + Br-CH 2-CH2-ONO2 •Nếuphản ứng thựchiện trong dung mơi là CH3OH, sảnphẩ m chính là Br-CH 2-CH 2-OCH3 !!! 32
32. CCl4 H2CCH2 + Br2 H2CCH2 Br Br CH3OH H2CCH2 + Br2 H2CCH2 Br OCH3 H2O H2CCH2 + Br2 H2CCH2 Br OH 33
33. b. Quy luậtcộng hợp • Quy tắc Markonikov (dành cho C=C khơng đối xứng): H + sẽ tấn cơng vào C chứa nhiề uH + + CH3-CH=CH2 + H Ỉ CH3-C H-CH3 (bềnhơn) + CH -CH -C+H 3 2 2 • Quy tắc Zaitsev-Wagner: H+ sẽ tấn cơng vào phía tạo thành carbocation trung gian bề nnh ất HBr CH3-CH=CH-CH2-CH3 CH3-CH-CH-CH2-CH3 34 Br
34. c. Hĩa lậpthể củaphản ứng AE • Phản ứng cộng hợpAE xảyratheokiểu trans Ỉ phụ thuộc vào tác chấtban đầu mà cĩ các đồng phân lậpthể khác nhau • Đồng phân cis Ỉ sảnphẩmthreo(nhĩmthế tương đươ ng khác phía) CH3 Br Br H C2H5 H H HBr CH3 Br C2H5 + C2H5 CH3 C2H5 Br CH3 Br2 CH CH 3 H H H H 3 Br H HBr Br- Br H Br C2H5 H C2H5 35 threo-
35. • Đồng phân trans Ỉ sảnphẩm erythro (nhĩm thế tươ ng đươ ng cùng phía) C H H CH3 CH3 2 5 Br 2 Br H HBr Br H HBr H CH3 C2H5 C2H5 erythro 36
36. d. Ảnh hưởng của nhĩm thế liên kếtvớinối đơi • Nhĩm thếđẩy điệntử Ỉ tăng mật độ điệntử của C=C Ỉ tăng khả năng phản ứng AE • Nhĩm thế hút điệntử Ỉ giảmkhả năng AE • Các nhĩm thế như phenyl nếucĩkhả năng cho +C với carbocation Ỉ b ền hĩa cation Ỉ thu ậnlợ i cho AE 37
37. Khả năng AE: Cl H H CHH CCH O2NHHOOC H 3 3 3 H3CCH3 H3CCH3 < < < < < < HH HH HH HH HH H CH3 H3C CH3 • Phenyl gây ảnh hưởng mạnh hơn 1 nhĩm methyl nhưng yế uhơ n 2 nhĩm methyl CH3CH=CH2 < C6H5CH=CH2 < (CH3)2 C=CH2 38
38. III.2. Phản ứng cộng hợp ái nhân vào C=O (AN) OX CO+ Xδ+-Yδ− C Y X-Y cĩ thể là H-OH, H-OR, H-CN, H-SO3Na, Li-R, BrMg-R 39
39. a.Cơ chế: 2 giai đoạn, l ưỡng phân tử • Giai đoạn1: - chậm Cδ+ Oδ− + Y CO- Y carbanion Giai đoạnchậm: Y- tấn cơng vào C+ Ỉ ái nhân 40
40. •Giai đoạn2: CO- + X+ nhanh COX Y Y Phản ứng AN cĩ thể khơng cần xúc tác. Tuy nhiên, pH cĩ ảnh hưởng Ví d ụ: Trong acid y ếu(pH 4) + C O + H C+ OH Điệntích(+) của carbon đượctăng cường Ỉ AN càng thuậnlợi + + Tuy nhiên, acid quá mạnh: R-NH2 + H Ỉ R-N H3 41 Khả năng phả ứng v ớiC=O giảm
41. b. Ảnh hưởng của nhĩm thế liên kếtvớiC=O • Nguyên tử C trong C=O cĩ điệntíchdương càng lớn Ỉ AN càng thu ậnlợi • Nhĩm thếđẩy điệntử (+C, +I, +H) làm giảmkhả năng phản ứng • Nhĩm thế hút điệntử (-C, -I) làm tăng khả năng phản ứng O O O > NO2 CH2 C > Cl CH2 C > CH3 C H3CCCH3 H H H o - >>H3CCOR H3CCNH2 > H3CCO o o o 42
42. IV. Phản ứng thế ái điệntử vào nhân thơm(SE) X + acid + X + H+ •Xúc tác: các acid vơ cơ: H2SO4, H3PO4, HF hay Lewis acid: FeCl , AlCl , ZnCl 3 3 2 Ví dụ: C6H6 + (CH3)3C-Br /AlBr3 Ỉ C6H5-C(CH3)3 + HBr 43
43. Cơ chế phản ứng: 2 giai đoạn, lưỡng phân tử • Giai đoạ n1: tạ ophức σ ( benzonium cation) xt + Xδ+-Yδ− δ+ δ− nhanh X -Y phức π X H X H X H X H chậm ++ + phức σ + Trong phức π: X khơng liên kếttrựctiếpvớiC nàocả Phức σ: X cĩ liên kếttrựcti ếpv ới1 C của benzene 44
44. • Giai đoạn 2: tách proton X X H nhanh + HY + 45
45. +++ Nhĩm thếđẩy điệntử (+C, +H, +I) Ỉ 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 +++ Nhĩm thế hút điệntử (-C, -I) Ỉ SE giảm Ví dụ: + •-N ≡N, -NO2, -CN, -CHO, -COR, -COCl, -COOH, -CO-NH2 (-I, -C) + •Cation: -N R3 (-I mạnh) * halogen (-I > +C) 46