Phản ứng hóa học của các hợp chất hữu cơ trong Hóa hữu cơ hóa đại cương

Khám phá chương 7 về phản ứng hóa học của các hợp chất hữu cơ trong Hóa hữu cơ hóa đại cương, cung cấp kiến thức sâu sắc và ứng dụng thực tiễn.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Hóa Học Hữu Cơ
• Đề tài: Phản Ứng Hóa Học Của Hợp Chất Hữu Cơ
• Loại tài liệu: Tài Liệu Học Tập
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 7. CHƯƠNG 7: PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Taxus brevifolia Paclitaxel
• 7.1. Giới thiệu phản ứng hữu cơ
• 7.2. Tác nhân thế thân hạch
• 7.3. Phản ứng tách loại
• 7.4. Phản ứng hóa học của alcohol
• 7.5. Phản ứng cộng: phản ứng cộng của alkene
• 7.6. Phản ứng thế thân điện tử của hợp chất hương phương
• 7.7. Phản ứng hóa học của alkane
• 7.8. Phản ứng polymer hóa và phản ứng trùng hợp
• 7.9. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ

Tóm tắt

I. Tổng quan về phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ

Phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ là một lĩnh vực quan trọng trong hóa hữu cơ đại cương. Các phản ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các hợp chất hữu cơ mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Các loại phản ứng chính bao gồm phản ứng thế, phản ứng cộng, và phản ứng tách loại. Mỗi loại phản ứng có cơ chế và điều kiện riêng, ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng.

1.1. Các loại phản ứng hóa học cơ bản trong hóa hữu cơ

Có ba loại phản ứng chính trong hóa hữu cơ: phản ứng thế, phản ứng cộng và phản ứng tách loại. Mỗi loại phản ứng có đặc điểm riêng và ứng dụng khác nhau trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ.

1.2. Tầm quan trọng của phản ứng hóa học trong nghiên cứu

Phản ứng hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm mới và cải tiến quy trình sản xuất. Nghiên cứu về các phản ứng này giúp tối ưu hóa điều kiện phản ứng và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

II. Thách thức trong nghiên cứu phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ

Nghiên cứu về phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là xác định điều kiện tối ưu cho từng loại phản ứng. Ngoài ra, sự tương tác giữa các tác nhân phản ứng cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất cần thiết để đạt được kết quả mong muốn.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hóa học

Nhiệt độ, áp suất, và nồng độ của các tác nhân phản ứng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng hóa học. Việc kiểm soát các yếu tố này có thể giúp tối ưu hóa quy trình phản ứng.

2.2. Khó khăn trong việc dự đoán sản phẩm phản ứng

Dự đoán sản phẩm của các phản ứng hóa học không phải lúc nào cũng đơn giản. Sự phức tạp trong cấu trúc của hợp chất hữu cơ có thể dẫn đến nhiều sản phẩm khác nhau, đòi hỏi các phương pháp phân tích chính xác.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng hóa học trong hóa hữu cơ

Để nghiên cứu các phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ, nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích quang phổ, sắc ký, và các kỹ thuật hiện đại khác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại phản ứng.

3.1. Phân tích quang phổ trong nghiên cứu phản ứng

Phân tích quang phổ là một công cụ mạnh mẽ giúp xác định cấu trúc và tính chất của các sản phẩm phản ứng. Các kỹ thuật như NMR và IR thường được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ.

3.2. Sắc ký và ứng dụng trong phân tích hóa học

Sắc ký là một phương pháp hiệu quả để tách và phân tích các thành phần trong hỗn hợp. Kỹ thuật sắc ký lỏng và sắc ký khí thường được sử dụng trong nghiên cứu phản ứng hóa học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phản ứng hóa học trong hóa hữu cơ

Các phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Từ sản xuất dược phẩm đến chế biến thực phẩm, các phản ứng này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm mới và cải tiến quy trình sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành dược phẩm

Nhiều loại thuốc được tổng hợp thông qua các phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ. Việc hiểu rõ các phản ứng này giúp phát triển các loại thuốc mới hiệu quả hơn.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, các phản ứng hóa học được sử dụng để cải thiện hương vị, màu sắc và độ bền của sản phẩm. Các quy trình như lên men và bảo quản thực phẩm đều dựa vào các phản ứng hóa học.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phản ứng hóa học

Nghiên cứu về phản ứng hóa học của hợp chất hữu cơ đang ngày càng phát triển. Với sự tiến bộ của công nghệ và các phương pháp phân tích hiện đại, khả năng hiểu biết về các phản ứng này sẽ ngày càng sâu sắc hơn. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong khoa học và công nghệ.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và hiệu quả hơn. Sự kết hợp giữa hóa học và công nghệ thông tin có thể mở ra nhiều hướng đi mới.

5.2. Tác động của nghiên cứu đến xã hội

Nghiên cứu về phản ứng hóa học không chỉ có ý nghĩa trong khoa học mà còn ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày. Các sản phẩm từ nghiên cứu này có thể cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

TÀI LIỆU HỌC THẬT: BÀI GIẢNG VÀ GIÁO TRÌNH HÓA HỌC HỮU CƠ – CHƯƠNG 7: PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu "Chương 7: Phản ứng hóa học của các hợp chất hữu cơ" thuộc hệ thống bài giảng chuyên ngành Hóa học hữu cơ ở bậc đại học, đóng vai trò bản lề trong chương trình đào tạo của các khối ngành Hóa học, Dược học, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Sinh học. Về mặt phân loại học thuật, tài liệu được xếp vào nhóm giáo trình/bài giảng đại học (textbook) với cấu trúc phân đoạn rõ ràng, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ bản, mô hình hóa cơ chế phản ứng và hệ thống bài tập tự lượng giá kèm lời giải mẫu.

Mục tiêu học tập của tài liệu tập trung vào việc hình thành cho người học khả năng:

• Phân loại chính xác bốn nhóm phản ứng hữu cơ cốt lõi: phản ứng thế (substitution), phản ứng cộng (addition), phản ứng tách loại (elimination) và phản ứng đồng phân hóa (isomerization).
• Nhận diện bản chất điện tử của các phần tử tham gia phản ứng thông qua các khái niệm tác nhân thân hạch (nucleophile), tác nhân thân điện tử (electrophile), nhóm xuất (leaving group), acid và base theo thuyết Brønsted–Lowry và Lewis.
• Phân tích chi tiết động học, trạng thái chuyển tiếp, hóa học lập thể và giản đồ năng lượng của các cơ chế thế thân hạch ($S_N1$, $S_N2$) cùng các cơ chế tách loại ($E1$, $E2$).
• Dự đoán chiều hướng và sản phẩm của phản ứng dựa trên các yếu tố lập thể, bản chất chất nền, ái lực tác nhân và hiệu ứng dung môi (protic so với aprotic).

Tài liệu mở đầu bằng việc dẫn nhập các hợp chất có hoạt tính sinh học và cấu trúc phức tạp trong tự nhiên, tiêu biểu như hợp chất chống ung thư Paclitaxel được phân lập từ loài thực vật Taxus brevifolia, từ đó đặt nền móng cho việc nghiên cứu tổng hợp và biến đổi hóa học các hợp chất hữu cơ.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc chương trình học trong tài liệu được thiết kế theo tiến trình logic gồm 9 đề mục chuyên đề:

1. Giới thiệu phản ứng hữu cơ: Định nghĩa và thiết lập hệ thống phân loại bốn loại phản ứng chính (thế, cộng, tách, đồng phân hóa).
2. Tác nhân thế thân hạch: Khái niệm tác nhân thân hạch, tác nhân thân điện tử, nhóm xuất và cơ sở tương tác electron.
3. Phản ứng tách loại: Giới thiệu cơ chế tách loại đơn phân tử ($E1$) và lưỡng phân tử ($E2$).
4. Phản ứng hóa học của alcohol: Các chuyển hóa đặc trưng trên liên kết $C-O$ và nhóm hydroxyl.
5. Phản ứng cộng: phản ứng cộng của alkene: Cơ chế và sự tấn công vào liên kết đôi $\pi$.
6. Phản ứng thế thân điện tử của hợp chất hương phương: Quy luật thế trên nhân thơm benzenoid.
7. Phản ứng hóa học của alkane: Các phản ứng biến đổi liên kết $\sigma$ bền vững.
8. Phản ứng polymer hóa và phản ứng trùng hợp: Cơ chế hình thành các hợp chất cao phân tử.
9. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ: Chiến lược kết nối mạch carbon và chuyển hóa nhóm chức.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Tài liệu xây dựng hệ thống kiến thức nền tảng dựa trên các nguyên lý nhiệt động học, động học và bản chất liên kết hóa học:

Phân loại phản ứng cơ bản:

• Phản ứng thế: Một nguyên tử, ion hoặc nhóm phân tử trong cơ chất bị thay thế bởi một tiểu phân khác (ví dụ: phản ứng giữa $CH_3Br$ và $(CH_3)_2CHCOO^-$, hoặc chuyển hóa $CH_3OH + CH_3OH \rightarrow CH_3OCH_3 + H_2O$ qua việc thay thế nhóm $-OH$ bằng $-OCH_3$).
• Phản ứng cộng: Một phân tử liên kết thêm vào cơ chất qua hệ thống liên kết đôi hoặc liên kết ba.
• Phản ứng tách loại: Sự đứt gãy các liên kết với các nguyên tử lân cận để giải phóng phân tử nhỏ hơn và tạo liên kết bội (ví dụ: tách nước từ cyclohexanol tạo thành cyclohexene).
• Phản ứng đồng phân hóa: Quá trình tái sắp xếp khung carbon của phân tử mà không làm thay đổi công thức phân tử tổng quát.

Cơ chế phản ứng thế thân hạch:

• Cơ chế $S_N2$ (Substitution Nucleophilic Bimolecular): Phản ứng diễn ra theo cơ chế đồng thời qua một giai đoạn, bước xác định tốc độ liên quan đến hai phân tử. Tác nhân thân hạch (như $OH^-$, $CN^-$) tấn công vào nguyên tử carbon mang điện tích dương bộ phận ở phía đối diện với nhóm xuất (tấn công mặt sau – backside attack). Phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp 5 vị trí và dẫn đến hiện tượng nghịch chuyển cấu hình lập thể (Walden inversion), ví dụ chuyển hóa $(S)\text{-2-iodobutane}$ thành $(R)\text{-butan-2-ol}$.
• Cơ chế $S_N1$ (Substitution Nucleophilic Unimolecular): Phản ứng diễn ra qua nhiều giai đoạn với bước xác định tốc độ là phản ứng đơn phân tử tạo cation trung gian carbocation (giai đoạn chậm), tiếp theo là sự tấn công của tác nhân thân hạch (giai đoạn nhanh) và tách proton (giai đoạn nhanh). Phản ứng dẫn đến sự racemic hóa hoặc tạo hỗn hợp đồng phân quang học như hỗn hợp $(R)/(S)\text{-2-methoxy-4-methylpentane}$.

    [S_N2]: Nu:⁻ + R-X  -->  [Nu···R···X]‡  -->  Nu-R + X⁻  (Nghịch chuyển cấu hình)
    
    [S_N1]: R-X  --chậm-->  R⁺ + X⁻  --Nu:⁻ (nhanh)-->  R-Nu  (Hỗn hợp racemic)

Vai trò của dung môi và tương tác nhiệt động:

• Dung môi hữu proton (protic): Chứa hydro linh động liên kết với nguyên tử có độ âm điện cao như $O, N$ ($H_2O, CH_3OH, C_2H_5OH, CH_3COOH, CH_3NH_2$). Loại dung môi này ổn định cả carbocation và anion thông qua liên kết hydro, tạo điều kiện thuận lợi cho cơ chế $S_N1$.
• Dung môi phi proton (aprotic): Không có hydro linh động, chia thành phân cực (DMSO, HMPT $[(CH_3)2N]3P=O$) và không phân cực (hexane, benzene). Dung môi aprotic phân cực solvate hóa cation nhưng không tạo vỏ dung môi bền vững bao quanh anion, làm tăng hoạt tính của tác nhân thân hạch tự do, tối ưu hóa cho cơ chế $S_N2$. Sự chênh lệch năng lượng solvate hóa được lượng hóa qua quá trình chuyển ion fluoride: $$F^-{(aq)} \rightarrow F^-{(DMSO)} \quad (\Delta_r G^\circ = +73\text{ kJ/mol})$$

Cạnh tranh giữa phản ứng thế và tách loại ($S_N1$ và $E1$):

Trong môi trường phân cực solvolysis với cơ chất bậc ba như tert-butyl halide trong methanol, phản ứng tạo đồng thời sản phẩm thế theo cơ chế $S_N1$ là 2-methoxy-2-methylpropane (chiếm 81%) và sản phẩm tách loại theo cơ chế $E1$ là 2-methylprop-1-ene (chiếm 19%).

Kỹ năng phát triển

Tài liệu rèn luyện cho sinh viên hệ thống kỹ năng thực hành lý thuyết:

• Kỹ năng phân tích cơ chế: Vẽ quy ước mũi tên cong (curved arrows) để mô tả chính xác sự dịch chuyển của cặp electron từ tác nhân thân hạch sang trung tâm thân điện tử.
• Kỹ năng suy luận hóa học lập thể: Xác định cấu hình tuyệt đối $(R/S)$ của chất nền và sản phẩm trước và sau phản ứng.
• Kỹ năng đánh giá ái lực thân hạch: So sánh tính thân hạch dựa trên 5 quy luật: điện tích âm ($HO^- > H_2O$), vị trí cùng chu kỳ ($H_3C^- > NH_2^- > OH^- > F^-$), ảnh hưởng của dung môi, kích thước nguyên tử cùng phân nhóm và chướng ngại lập thể mạch carbon ($CH_3Br > \text{bậc 1} > \text{bậc 2} > \text{bậc 3}$).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Tài liệu sử dụng phương pháp diễn dịch kết hợp quy nạp khoa học. Mỗi phần kiến thức đều đi từ các khái niệm cơ bản về bản chất điện tử, minh họa thông qua các phản ứng điển hình, mô hình hóa trạng thái chuyển tiếp, phân tích giản đồ năng lượng và sau đó tổng kết thành quy luật dự đoán.

Hệ thống bài tập và nghiên cứu tình huống

Giáo trình phân bố dày đặc các bài tập áp dụng trực tiếp (từ Bài tập 1 đến Bài tập 8) kèm theo các thí dụ có lời giải chi tiết:

• Nhận diện thành phần phản ứng: Xác định cặp base Brønsted–Lowry, acid, tác nhân thân hạch, tác nhân thân điện tử và nhóm xuất trong các hệ phản ứng phức tạp (như phản ứng giữa $CH_3S^-$ với $CH_3CH_2SOCH_2CH_3$, hoặc $HCOO^-$ với $CH_3CH_2Cl$).
• Dự đoán khả năng xảy ra phản ứng: Phân tích hằng số cân bằng dựa trên độ mạnh tính base giữa tác nhân thân hạch và nhóm xuất (ví dụ: chứng minh ion $Br^-$ không thể thế nhóm $-OH$ của ethanol trong điều kiện thông thường do $OH^-$ có tính base mạnh hơn $Br^-$).
• Phân tích cạnh tranh cơ chế: Lựa chọn giữa $S_N1$ và $S_N2$ dựa trên cấu trúc phân nhánh của haloalkane và dung môi sử dụng.

Đánh giá và hướng dẫn tự học

• Phương pháp đánh giá: Đánh giá thông qua năng lực viết phương trình phản ứng đúng bản chất hóa học lập thể, giải thích được vai trò của từng cấu tử hóa chất và biểu diễn chính xác giản đồ biến thiên năng lượng của phản ứng.
• Định hướng tự học: Người học cần tự giải quyết các bài tập dự đoán sản phẩm trước khi đối chiếu với phần bài giải mẫu, đồng thời luyện tập phân tích các trung tâm tích điện bằng cách xác định độ âm điện tương đối giữa các nguyên tử trong liên kết.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

1. Tính định lượng và nhiệt động học: Tài liệu không chỉ dừng lại ở việc mô tả định tính mà còn đưa vào các thông số nhiệt động cụ thể như biến thiên năng lượng tự do Gibbs chuẩn ($\Delta_r G^\circ = +73\text{ kJ/mol}$) cho quá trình solvate hóa ion fluoride, giúp giải thích bản chất khác biệt giữa dung môi protic và aprotic.
2. Phân tích sâu về chướng ngại lập thể: Mô tả chi tiết hiện tượng khóa không gian ở mặt sau phân tử $(CH_3)_3CBr$ làm triệt tiêu khả năng phản ứng theo cơ chế $S_N2$, buộc phản ứng phải chuyển dịch hoàn toàn sang cơ chế $S_N1$ thông qua carbocation trung gian.
3. Quy luật tổng quát về tính thân hạch: Cung cấp hệ thống 5 tiêu chí rõ ràng để so sánh tính thân hạch, bao gồm: mật độ điện tích, độ âm điện trong cùng chu kỳ, bản chất tương tác dung môi, kích thước bán kính ion trong cùng phân nhóm và yếu tố không gian cồng kềnh của phân tử.
4. Liên hệ thực tiễn hóa dược: Đặt vấn đề phản ứng hữu cơ gắn liền với cấu trúc các phân tử tự nhiên phức tạp như Paclitaxel của cây Taxus brevifolia, tạo cơ sở cho việc tiếp cận hóa học tổng hợp dược phẩm.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ nhất và năm thứ hai chuyên ngành Hóa học, Sư phạm Hóa học, Dược học, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học và Khoa học Vật liệu.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành học phần Hóa học đại cương, nắm vững các kiến thức về liên kết cộng hóa trị, cấu trúc không gian phân tử, độ âm điện, cân bằng hóa học, nhiệt động học hóa học và các thuyết acid-base.
• Giảng viên: Sử dụng làm đề cương bài giảng chuẩn, tài liệu hướng dẫn thảo luận nhóm và ngân hàng câu hỏi bài tập phục vụ kiểm tra định kỳ.
• Nghiên cứu và tham khảo: Dành cho học viên cao học, kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tổng hợp hữu cơ cần tra cứu nhanh cơ chế và các điều kiện dung môi tối ưu cho phản ứng thế và tách loại.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn cho sinh viên đại học khối ngành khoa học tự nhiên, kỹ thuật và y dược đang học phần Hóa học hữu cơ hoặc Hóa học đại cương nâng cao.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học chương này?

Người học cần nắm vững lý thuyết liên kết hóa học, độ âm điện, hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, khái niệm acid-base theo Arrhenius, Brønsted–Lowry, Lewis và nhiệt động học phản ứng.

3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa cơ chế $S_N1$ và $S_N2$ được trình bày trong giáo trình là gì?

Điểm khác biệt nằm ở số lượng phân tử tham gia bước xác định tốc độ ($S_N1$ là 1 phân tử qua carbocation; $S_N2$ là 2 phân tử qua trạng thái chuyển tiếp đồng thời), hóa học lập thể (nghịch chuyển cấu hình ở $S_N2$, racemic hóa ở $S_N1$) và sự phụ thuộc vào dung môi (dung môi protic hỗ trợ $S_N1$, dung môi aprotic phân cực hỗ trợ $S_N2$).

4. Làm thế nào để tự học và làm chủ nội dung cơ chế phản ứng?

Người học cần thực hành viết đầy đủ các mũi tên chuyển dịch electron, xác định đúng điện tích hình thức của từng nguyên tử ở mỗi giai đoạn trung gian và tự vẽ lại các trạng thái chuyển tiếp không gian 3 chiều.

5. Có những dạng bài tập đặc trưng nào trong tài liệu?

Tài liệu bao gồm ba nhóm bài tập chính: phân loại loại phản ứng tổng quát, xác định các cấu tử phản ứng (acid, base, nucleophile, electrophile, leaving group) và dự đoán cơ chế ($S_N1, S_N2, E1, E2$) cùng cấu hình lập thể của sản phẩm.

---

Kết luận

Chương 7 "Phản ứng hóa học của các hợp chất hữu cơ" là một học phần trọng tâm, cung cấp khung lý thuyết nền tảng và phương pháp luận khoa học về chuyển hóa phân tử. Việc nắm vững các quy luật phản ứng thế thân hạch, phản ứng tách loại, vai trò của dung môi và các yếu tố lập thể trong tài liệu là điều kiện tiên quyết để người học tiếp cận các chuyên đề nâng cao về tổng hợp hữu cơ, hóa dược và hóa học các hợp chất cao phân tử. Lộ trình học tập khuyến nghị là nắm vững phân loại đại cương, phân tích chi tiết cơ chế vi mô thông qua bài tập mẫu, và tự giải hệ thống bài tập tự lượng giá.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 7 PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Taxus brevifolia Paclitaxel 1. Giới thiệu phản ứng hữu cơ 2. Tác nhân thế thân hạch 3. Phản ứng tách loại 4.

Phản ứng hóa học của alcohol 5. Phản ứng cộng: phản ứng cộng của alkene 6. Phản ứng thế thân điện tử của hợp chất hương phương 7. Phản ứng hóa học của alkane 8.

Phản ứng polymer hóa và phản ứng trùng hợp 9. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG HỮU CƠ • Phản ứng thế: một nguyên tử, một ion hoặc một nhóm phân tử bị thay thế bởi một nguyên tử, một ion hay một nhóm các phân tử khác. 4 • Phản ứng cộng, một phân tử được cộng vào thông qua liên kết đôi hoặc liên kết ba với một phân tử khác. 5 • Phản ứng tách loại, nguyên tử hay nhóm nguyên tử liên kết với các nguyên tử lân cận được tách khỏi phân tử tạo thành một phân tử có khối lượng phân tử nhỏ hơn.

6 • Phản ứng đồng phân hóa, khung carbon của phân tử được sắp xếp lại. Cho biết loại của các phản ứng sau: 8 Bài giải: a) Phản ứng thế bởi vì nguyên tửBr trong phân tửCH3Br bị thay thế bởi nhóm (CH3)2CHCOO. b) Phản ứng đồng phân hóa bởi vì phản ứng chỉ thay đổi về cấu trúc khung Carbon. c) Phản ứng thế bởi vì CH3OH + CH3OH  CH3OCH3 + H2O Một nhóm –OH trong phân tửCH3OH bị thay thế bằng nhóm CH3O– d) Phản ứng tách loại, bởi vì: Trong phản ứng, có sựtách 1 nhóm –OH và 1 nguyên tửH của carbon lân cận trong phân tử cyclohexanol, thu được sản phẩm cyclohexene.

e) Phản ứng cộng, bởi vì: 9 Bài tập 1: Hãy cho biết các phản ứng sau thuộc loại phản ứng nào 10 Bài giải: Bài tập 1: a) Phản ứng thế b) Phản ứng đồng phân hóa c) Phản ứng cộng a) Phản ứng tách loại b) Phản ứng thế c) Phản ứng thế 11 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG THẾ THÂN HẠCH Liên kết giữa nguyên tử carbon với nhóm xuất bị đứt, hình thành liên kết mới bằng cách sử dụng cặp electron của tác nhân thân hạch. 12 Phương trình phản ứng: Phản ứng trên được gọi là phản ứng thế thân hạch. Ion OH- được gọi là tác nhân thân hạch (tác nhân phản ứng tác kích vào vị trí có mật độ điện tử thấp trong phân tử. Tác nhân thân hạch giàu điện tử và cho cặp electron cho phân tử khác).

Nguyên tử C của phân tử CH3Cl nghèo điện tử do nguyên tử Cl mang điện tích âm, rút điện tử từ nguyên tử C. Nguyên tử C trong phân tử CH3Cl được gọi là tác nhân thân điện tử. 13 Cộng thân hạch của haloalkane xảy ra qua 2 cơ chế. Ion CH3CC- là tách nhân hạch và CH3CH2Br là chất thân điện tử.

Carbon  của CH3CH2Br nghèo điện tử (+), nguyên tử của chất thân điện tử tấn công bởi tác nhân thân hạch, cả tác nhân thân hạch và nhóm xuất đều có tính base Lewis (có thể sử dụng khái niệm acid-base cho việc hình thành cơ chế này). Phản ứng thế thân hạch không xảy ra với những base có hoạt tính mạnh hơn so với tác nhân thân hạch. Xác định tác nhân thân điện tử, tác nhân thân hạch, nhóm xuất, acid và base: 15 Bài giải thí dụ 2. Xác định tác nhân thân điện tử, tác nhân thân hạch, nhóm xuất, acid và base: a) Liên kết mới được hình thành giữa sulfur (S) và carbon (C), và liên kết giữa carbon và oxygene (O) bị cắt đứt.

CH3S- đóng vai trò như tác nhân thân hạch, CH3CH2SOCH2CH3 đóng vai trò như tác nhân thân điện tử (chất nền), và –OSCH2CH3 là nhóm xuất. 16 b) NH2- phản ứng tạo thành NH3. Các công thức này khác nhau ở cặp electron tự do, NH2- và NH3 là một cặp acid-base. NH2- là một base Brönsted-Lowry và (CH3)2CHCHBrCH3 là một acid.

17 c) Liên kết mới được hình thành giữa carbon (C) và oxygene (O) C-O, và liên kết giữa carbon và chlorine (Cl) bị cắt đứt. HCOO- là tác nhân thân hạch, CH3CH2Cl là tác nhân thân điện tử, nhóm Cl- là nhóm xuất. 18 Bài tập 3: Trong các phản ứng sau, hãy xác định đâu là cặp electron như là base Brønsted–Lowry hoặc là tác nhân thân hạch. Hãy xác định acid, tác nhân thân điện tử và nhóm xuất, sử dụng mũi tên để xác định sự di chuyển của cặp electron.

Bài tập 4: Trong các phản ứng sau, hãy xác định đâu là cặp electron như là base Brønsted–Lowry hoặc là tác nhân thân hạch. Hãy xác định acid, tác nhân thân điện tử và nhóm xuất, sử dụng mũi tên để xác định sự di chuyển của cặp electron. 19 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN2. Phương trình phản ứng: Cơ chế của phản ứng bao gồm bước xác định tỷ lệ phân tử, trong đó, nhóm tác nhân thân hạch tiếp cận carbon thân điện tử và đồng thời nhóm xuất rời khỏi phân tử.

20 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN2 Trong đó SN2: S là sự thay thế (substitution), ; N là tác nhân thân hạch (nucleophilic); 2 cho thấy bước xác định tỷ lệ là 2 phân tử. Trạng thái trung gian 21 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN2 Ion OH- tấn công vào phía đối diện của nguyên tử Cl, liên kết C-Cl bắt đầu bị đứt ra và liên kết C-O dần được tạo thành, sản phẩm được tạo thành thông qua trạng thái trung gian. Thông qua cơ chế SN2, tác nhân thân hạch cho cặp electron để hình thành liên kết cộng hóa trị. 22 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN2 Khi cho (S)-2-iodobutane thực hiện phản ứng thế thân hạch với nhóm OH-, sản phẩm thu được là (R)-butan-2-ol.

Phản ứng xảy ra sự nghịch chuyển cấu hình, nhằm đề nghị cơ chế của 2 phân tử và trạng thái chuyển tiếp 5 vị trí. 23 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN1 Phương trình phản ứng: Phản ứng trên xảy ra theo Cơ chế SN1, với S là sự thay thế (substitution), ; N là tác nhân thân hạch (nucleophilic); 1 cho thấy bước xác định tỷ lệ là 1 phân tử. 24 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN1 Bước 1: Sự hình thành carbanion (giai đoạn xảy ra chậm) 25 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN1 Bước 2: Tác nhân thân hạch tác kích vào carbanion (giai đoạn xảy ra nhanh) 26 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN1 Bước 3: Loại bỏ 1 proton (giai đoạn xảy ra nhanh) 27 Phản ứng thế thân hạch theo cơ chế SN1 Giản đồ năng lượng 28 Khi nào phản ứng xảy ra theo cơ chế SN1 và cơ chế SN2? Xem xét phản ứng bậc 2 sau đây, Theo quan điểm nhiệt động lực học, sự thay thế ion Br- bằng Cl là thuận lợi vì ion Br- là một base yếu hơn so với ion Cl-. Tỷ lệ phản ứng cho thấy sự phụ thuộc vào mức độ phân nhánh của mạch carbon .

29 Theo cơ chế SN2, tác nhân thân hạch tác kích vào tác nhân thân điện tử nằm ở trung tâm theo phía đối diện với nhóm xuất, thường được gọi là tấn công mặt sau. Các nguyên tử có kích thước cồng kềnh liên kết với carbon làm cho tác nhân thân hạch trở nên khó khăn hơn khi tác kích ở mặt sau (hay còn được gọi là sự cản trở lập thể). 30 Sự tác kích ở mặt sau của phân tử CH3Br xảy ra nhanh nhất do ít bị chướng ngại lập thể. Tuy nhiên, ở mặt sau của phân tử (CH3)3Br gần như hoàn toàn bị khóa bởi sự tác kích của tác nhân thân hạch, và do đó, phân tử này không xảy ra phản ứng theo cơ chế SN2.

Phản ứng thế thân hạch xảy ra theo cơ chế SN1. Độ phản ứng liên quan đến sự ổn định carbocation 31 Thí dụ 3: Các phản ứng sau xảy ra theo cơ chế SN1 hay SN2? Dự đoán sản phẩm? Bài tập 5: Trình bày cơ chế của các phản ứng sau: 32 Bài giải thí dụ 3. a) Cơ chế SN2 Ion CN- là tác nhân thân hạch, chloropropane là tác nhân thân điện tử và ion Cl- là nhóm xuất. Ion CN- có tính base mạnh hơn ion Cl- , hằng số cân bằng lớn.

Sản phẩm thu được là CH3CH2CH2CN b) Phản ứng không xảy ra. Ion Br- là tác nhân thân hạch, ethanol là tác nhân thân điện tử và ion OH- có thể là nhóm xuất. Ion OH- có tính base mạnh hơn ion Br- , hằng số cân bằng rất nhỏ. 33 c) Cơ chế SN1 Phân tử CH3OH là tác nhân thân hạch, t-butyl chloride là tác nhân thân điện tử và ion Cl- là nhóm xuất.

Tính base của CH3OH và Cl- có liên hệ với nhau. Nếu tính base của CH3OH và Cl- giống nhau (cả 2 cùng là base rất yếu), cân bằng được thiết lập. Nếu sử dụng lượng dư methanol (methanol đóng vai trò như 1 dung môi) thay đổi cân bằng để tạo ra sản phẩm. Sản phẩm thu được: (CH3)3COCH3 34 Bài tập 6: Trình bày cơ chế của các phản ứng sau: 35 Sự ảnh hưởng của dung môi trong phản ứng thế SN1 và SN2 - Dung môi hữu proton (protic solvent): trong phân tử có nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử có điện tích âm, như oxygen hay nitrogen.

Nước, methanol, ethanol, acetic acid và methanamine là những dung môi protic phân cực. - Dung môi phi proton (aprotic solvent): trong phân tử không có nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử có độ âm điện cao như O và N. Dung môi aprotic có thể phân cực hoặc không phân cực, phụ thuộc vào phân tử đó là phân cực hay không phân cực. Ví dụ: hexamethylphosphoric triamide (HMPT), [(CH3)2N]3P=O.

Dung môi phi proton không phân cực: hexane và benzene. 36 Những loại dung môi ảnh hưởng đến phản ứng thế SN1 - Quá trình xác định tỷ lệ trong phản ứng SN1 là sự hình thành của một carbocation. Nếu dung môi không ổn định các ion hình thành, phản ứng theo cơ chế SN1 không xảy ra. - Dung môi hữu proton phân cực (nước hay methanol), phản ứng SN1 xảy ra, bởi vì phân tử hình thành carbocation.

- Phân tử của dung môi hữu proton phân cực hình thành carbocation thông qua sự dùng chung cặp electron tự do từ nguyên tử O hoặc N. Hình thành anion thông qua liên kết hydrogen. - Dung môi phi proton có thể hình thành cation thông qua sự dùng chung cặp electron tự do. Tuy nhiên, nó không thể hình thành anion bởi vì thiếu nguyên tử hydrogen để tạo liên kết hydrogen với anion.

37 Những loại dung môi ảnh hưởng đến phản ứng thế SN2 - Dung môi phi proton phân cực cho phản ứng thế SN2 tốt nhất (tác nhân thân hạch tác kích vào tác nhân thân điện tử).