AP Chemistry

phản ứng thế nucleophilenucleophilic substitution reaction

nucleophilic substitution reactionVietnamese: phản ứng thế nucleophile

Còn gọi:Also called: SN

Phản ứng thế nucleophile là phản ứng mà một nucleophile thay thế nhóm rời trên nguyên tử carbon mang điện tích dương một phần.A nucleophilic substitution reaction is a reaction in which a nucleophile replaces a leaving group on a carbon atom that carries a partial positive charge.

Trực giác: Hãy tưởng tượng một người bước tới đúng chiếc ghế mà một người khác đang ngồi, ngồi xuống chỗ đó thì người kia buộc phải đứng dậy rời đi — đúng một người mới thay đúng một người cũ trên cùng một ghế.Intuition: Picture someone walking up to a chair that is already occupied and sitting down in it: the person who was there has to get up and leave. Exactly one newcomer replaces exactly one occupant in the same seat.

Công thức chínhKey formula

\text{rate} = k[\text{Nu}][\text{RX}]

Định nghĩa đầy đủFull definition1 phút đọc1 min read

Phản ứng thế nucleophile là quá trình nucleophile tấn công carbon của chất nền, tạo liên kết mới và thay thế nhóm rời, vốn mang theo cặp electron của liên kết cũ.

Cơ chế $S_N2$ diễn ra đồng thời trong một bước; tốc độ phụ thuộc cả chất nền và nucleophile. Với $S_N1$ , nhóm rời tách trước tạo carbocation, rồi nucleophile tấn công; tốc độ chỉ phụ thuộc chất nền. Cơ chế được ưu tiên tùy bậc carbon, độ mạnh nucleophile và dung môi.

A nucleophilic substitution reaction occurs when a nucleophile attacks the carbon of the substrate, forming a new bond and displacing a leaving group, which departs with the electron pair of the old bond.

In the $S_N2$ mechanism, bond making and bond breaking happen together in a single step, so the rate depends on both the substrate and the nucleophile. In $S_N1$ , the leaving group departs first to give a carbocation, which the nucleophile then attacks; the rate depends only on the substrate. Which mechanism dominates depends on how substituted the carbon is, how strong the nucleophile is, and on the solvent.

Ký hiệuNotation

S_N1

S_N2

v = k[\text{R-X}][\text{Nu}^-]

S_N1

S_N2

v = k[\text{R-X}][\text{Nu}^-]

Công thức chi tiếtFormula details2 công thức2 formulas

\text{rate} = \htmlClass{fp-2}{k\htmlClass{fp-0}{[\text{Nu}]}\htmlClass{fp-1}{[\text{RX}]}}

\text{rate} = \htmlClass{fp-2}{k\htmlClass{fp-0}{[\text{Nu}]}\htmlClass{fp-1}{[\text{RX}]}}

Dùng cho cơ chế $S_N2$ , khi nucleophile và chất nền cùng tham gia bước quyết định tốc độ.Use this for the $S_N2$ mechanism, where the nucleophile and the substrate both take part in the rate-determining step.

Trong đóWhere

k

hằng số tốc độ phản ứng — M^{-1} s^{-1}rate constant — M^{-1} s^{-1}

[\text{Nu}]

nồng độ nucleophile — Mnucleophile concentration — M

[\text{RX}]

nồng độ chất nền (haloalkane) — Msubstrate (haloalkane) concentration — M

\text{rate} = \htmlClass{fp-1}{k\htmlClass{fp-0}{[\text{RX}]}}

\text{rate} = \htmlClass{fp-1}{k\htmlClass{fp-0}{[\text{RX}]}}

Dùng cho cơ chế $S_N1$ , khi nhóm rời tách để tạo carbocation trong bước quyết định tốc độ.Use this for the $S_N1$ mechanism, where the leaving group departs to form a carbocation in the rate-determining step.

Trong đóWhere

k

hằng số tốc độ phản ứng — s^{-1}rate constant — s^{-1}

[\text{RX}]

nồng độ chất nền (haloalkane) — Msubstrate (haloalkane) concentration — M

Hay hiểu saiCommon misconceptions2 ý · 1 phút đọc2 points · 1 min read

Nucleophile tấn công carbon, không tấn công nhóm rời.

Carbon là tâm thiếu electron; mũi tên cong đi từ cặp electron của nucleophile tới carbon, còn nhóm rời mang theo cặp electron liên kết.

Nucleophile mạnh không đồng nghĩa với base mạnh.

Tính nucleophile liên quan tốc độ tấn công carbon, còn tính base liên quan cân bằng nhận proton; không nên suy tốc độ thế chỉ từ $K_b$ .

The nucleophile attacks the carbon, not the leaving group.

Carbon is the electron-poor center, so the curved arrow runs from the nucleophile's electron pair to carbon, while the leaving group takes the bonding pair with it.

A strong nucleophile is not the same thing as a strong base.

Nucleophilicity describes how fast a species attacks carbon, while basicity describes the equilibrium for accepting a proton, so you cannot infer substitution rates from $K_b$ alone.

Mẹo phòng thiExam tips2 mẹo2 tips

Xác định tâm thiếu và giàu electron trước khi vẽ.

Đánh dấu $\delta+$ trên carbon gắn với halogen hoặc oxygen, rồi hướng mũi tên từ cặp electron của nucleophile tới carbon.

Trong bài phân biệt $S_N1$ và $S_N2$ , hãy đọc định luật tốc độ.

Phụ thuộc cả chất nền và nucleophile ứng với $S_N2$ ; chỉ phụ thuộc chất nền ứng với $S_N1$ .

Label the electron-poor and electron-rich centers before drawing any arrows.

Mark $\delta+$ on the carbon bonded to a halogen or oxygen, then draw the arrow from the nucleophile's electron pair to that carbon.

When a question asks you to distinguish $S_N1$ from $S_N2$ , read the rate law.

Dependence on both substrate and nucleophile points to $S_N2$ ; dependence on the substrate alone points to $S_N1$ .

Tần suất trong đề AP ChemistryHow often it shows up on AP ChemistryThường xuyênVery common

Khái niệm này sinh ra từ đâuWhere the concept comes from2 phút đọc1 min read

1896Paul WaldenChristopher Kelk IngoldEdward D. HughesA. J. Lapworth

Năm 1935, Hughes và Ingold đề xuất hai cơ chế cạnh tranh để giải thích sự chuyển đổi giữa hai dạng đối quang.

In 1935, Hughes and Ingold proposed two competing mechanisms to explain the conversion between two enantiomeric forms.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi của phản ứng đến sau bản thân phản ứng gần bốn chục năm. Năm 1925, Lapworth đã đề nghị gọi hai loại tiểu phân đối lập nhau là "anionoid" và "cationoid", tức phân loại theo điện tích. Tuy nhiên cách gọi ấy không nói được điều quan trọng nhất là tiểu phân giàu electron tấn công vào đâu, nên đến năm 1933 Ingold thay bằng cặp thuật ngữ nucleophile và electrophile. Chữ "nucleophile" ghép từ "nucleus" (hạt nhân) với tiếng Hy Lạp φιλος (philos, nghĩa là "bạn", "ưa thích"): tiểu phân mang đôi electron dư thì "ưa" nơi thiếu electron, tức ưa phần mang điện dương của phân tử kia. Vì vậy cái tên mô tả thẳng động lực của phản ứng chứ không chỉ mô tả điện tích. Phần "thế" trong tên gọi phản ánh đúng những gì xảy ra trong vòng phản ứng của Walden: mỗi bước đều là một tiểu phân giàu electron (ion $\mathrm{Cl^-}$ hoặc $\mathrm{OH^-}$ ) đẩy một tiểu phân khác ra khỏi nguyên tử carbon trung tâm. Tiểu phân bị đẩy ra được gọi là nhóm rời (leaving group), còn phân tử bị tấn công là chất nền (substrate). Nhờ cách đặt tên này, một hiện tượng vốn được mô tả rời rạc qua từng phương trình cụ thể đã được gom lại thành một lớp phản ứng có tên chung. Hai ký hiệu $S_N1$ và $S_N2$ ra đời năm 1935 cũng được đặt theo lối viết tắt rất trực tiếp. Chữ $S$ là substitution (thế), chữ $N$ viết nhỏ bên dưới là nucleophilic, còn con số không phải số nguyên tử hay số nhóm thế mà là bậc động học (kinetic order) của phản ứng. Do đó $S_N2$ chỉ phản ứng có tốc độ phụ thuộc vào nồng độ của cả chất nền lẫn tác nhân, xảy ra đồng bộ (concerted) trong một bước duy nhất khi carbon trung tâm còn đủ trống để bị tấn công. Ngược lại, con số 1 báo hiệu giai đoạn quyết định tốc độ chỉ liên quan đến một tiểu phân. Hiểu được nguồn gốc con số này thì ký hiệu $S_N1$ , $S_N2$ không còn là hai nhãn phải học thuộc, mà tự nó đã nói ra cơ chế.

Nguồn đối chiếuSources

Bạn nắm chắc chưa?Check your understanding

Quiz câu thật từ ngân hàng đềReal exam questions from our question bank

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.A few real questions on exactly this concept, graded instantly with an explanation for every choice — the system remembers how well you know it.

Tạo tài khoảnCreate an account

Học tiếp từ đâyKeep learning

Bài học chứa thuật ngữ nàyLesson that uses this termCác loại phản ứng hóa họcPhản ứng hóa học · khoácourse AP Chemistry

Bài học chứa thuật ngữ nàyLesson that uses this termCơ chế phản ứng và định luật tốc độĐộng học · khoácourse AP Chemistry

Cần trướcLearn firstbase LewisLewis base (sắp có)(coming soon)liên kết cộng hóa trị phân cựcpolar covalent bond (sắp có)(coming soon)

Dẫn tớiLeads tocơ chế phản ứngreaction mechanism

Liên quanRelatedhalidehalide (sắp có)(coming soon)đồng phân lập thểstereoisomers (sắp có)(coming soon)

Mục tiêu và lộ trình unit ai cũng xem được — làm bài tập và lưu tiến độ thì cần đăng nhập.Anyone can view a unit's goals and roadmap — sign in to do the exercises and save your progress.

Hay nhầm vớiOften confused with

Thuật ngữTermKhác nhau ở đâuHow they differHay nhầm khiMixed up when

phản ứng thế electrophile vào vòng thơm (electrophilic aromatic substitution)electrophilic aromatic substitution

Khác nhau ở đâuHow they differThế nucleophile: tác nhân giàu electron tấn công nguyên tử carbon thiếu electron trên mạch hở. Thế electrophile vào vòng thơm: tác nhân nghèo electron tấn công vòng thơm giàu mật độ electron.

Hay nhầm khiMixed up whenkhi đề chỉ ghi 'phản ứng thế' (substitution) mà không nói rõ tác nhân tấn công là nucleophile hay electrophile

Cùng chủ đềSame topic

Nguồn tham khảoReferences

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 22, 1271, 1274.