Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng thế nucleophile

nucleophilic substitution reaction

Còn gọi: 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.

Phản ứng thế nucleophile (nucleophilic substitution reaction) là quá trình trong đó một tác nhân giàu điện tử, gọi là tác nhân ưa nhân, tấn công vào nguyên tử carbon mang điện tích dương một phần của tác nhân ưa điện (electrophile) và đẩy một nhóm rời ra khỏi phân tử. Nhờ đó, một liên kết mới giữa tác nhân ưa nhân và carbon được hình thành, đồng thời liên kết cũ giữa carbon và nhóm rời bị phá vỡ.

Tùy vào cơ chế diễn ra, phản ứng này được chia thành hai con đường chính. Trước hết, cơ chế $S_N2$ xảy ra đồng thời trong một bước, vì tác nhân ưa nhân tấn công mặt sau nguyên tử carbon trong khi nhóm rời bắt đầu tách ra, tạo thành trạng thái chuyển tiếp (transition state) năm phối trí. Vì vậy, tốc độ của cơ chế này tuân theo biểu thức:

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

nghĩa là tốc độ phụ thuộc vào cả nồng độ chất nền lẫn nồng độ tác nhân ưa nhân. Ngược lại, cơ chế $S_N1$ diễn ra qua hai bước, bởi nhóm rời tách ra trước để tạo carbocation rồi tác nhân ưa nhân mới tấn công sau, nên tốc độ chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất nền.

Do đó, việc phản ứng đi theo cơ chế nào phụ thuộc vào bậc của carbon mang nhóm rời, độ mạnh của tác nhân ưa nhân và bản chất của dung môi. Chẳng hạn, carbon bậc ba ưu tiên cơ chế $S_N1$ vì carbocation bậc ba bền hơn nhiều so với carbocation bậc một, trong khi carbon bậc một kết hợp với tác nhân ưa nhân mạnh trong dung môi phân cực nhưng không chứa nguyên tử hiđro linh động lại thuận lợi cho cơ chế $S_N2$ . Chính vì vậy, hiểu rõ hai cơ chế này giúp ta dự đoán sản phẩm và kiểm soát tính lập thể của phản ứng trong tổng hợp hữu cơ.

Ký hiệu

S_N1

S_N2

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

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.

Công thức

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

Dùng cho cơ chế $S_N2$ , khi nucleophile tấn công trực tiếp vào carbon đồng thời với lúc nhóm rời rời đi, thường xảy ra ở chất nền bậc một hoặc bậc hai.

Trong đó

k

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

[\text{Nu}]

nồng độ nucleophile — M

[\text{RX}]

nồng độ chất nền (haloalkane) — M

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

Khái niệm này sinh ra từ đâu

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

Phản ứng thế nucleophile được nhà hóa học người Đức Paul Walden phát hiện năm 1896 khi ông chuyển hóa qua lại hai dạng đối quang của axit malic; đến những năm 1930, Christopher Kelk Ingold và Edward D. Hughes đặt tên và làm rõ cơ chế của lớp phản ứng này.

Hay hiểu sai

Tác nhân ái nhân tấn công vào nguyên tử carbon, không phải vào nhóm rời.

Mũi tên cong phải đi từ nơi giàu electron tới nơi nghèo electron.

Chất ái nhân mạnh không đồng nghĩa với base mạnh.

Ion hydroxide và ion alkoxide gần như không bao giờ là nhóm rời.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Khi đun 1-bromobutane với dung dịch NaOH loãng trong hỗn hợp nước–axeton, sản phẩm thu được là butan-1-ol và ion bromide. Một nhóm học sinh đo tốc độ đầu của phản ứng ở 25 °C với ba lần thí nghiệm sau: (1) [C4H9Br] = 0,10 M và [OH⁻] = 0,10 M cho tốc độ 2,0×10⁻⁴ M·s⁻¹; (2) [C4H9Br] = 0,20 M và [OH⁻] = 0,10 M cho tốc độ 4,0×10⁻⁴ M·s⁻¹; (3) [C4H9Br] = 0,10 M và [OH⁻] = 0,20 M cho tốc độ 4,0×10⁻⁴ M·s⁻¹.

aViết biểu thức tốc độ (rate law) của phản ứng và tính hằng số tốc độ kèm đơn vị.
bDự đoán tốc độ đầu khi cả hai chất đều có nồng độ 0,30 M ở cùng nhiệt độ.
cCơ chế phù hợp với dữ liệu này gồm mấy giai đoạn? Giải thích điều đó cho biết gì về cấu tạo của trạng thái chuyển tiếp.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Các loại phản ứng hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcbase Lewis (sắp có)liên kết cộng hóa trị phân cực

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

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

Khác nhau ở đâuThế 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 khikhi đề chỉ ghi 'phản ứng thế' (substitution) mà không nói rõ tác nhân tấn công là nucleophile hay electrophile

Nguồn tham khảo

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

Dùng cho cơ chế $S_N1$ , khi chất nền bậc ba phân ly tạo carbocation trung gian trước khi nucleophile tấn công.

Trong đó

k

hằng số tốc độ phản ứng — s^{-1}

[\text{RX}]

nồng độ chất nền (haloalkane) — M

Năm 1896, Walden nhận thấy một điều khó hiểu: axit (–)-malic tinh khiết khi cho tác dụng với $\mathrm{PCl_5}$ lại cho axit (+)-closuccinic, và chất này khi xử lý với $\mathrm{Ag_2O}$ ẩm quay về axit (+)-malic. Cả một vòng phản ứng khép kín biến một dạng đối quang thành dạng kia mà không hề phá vỡ khung phân tử. Do đó câu hỏi đặt ra không còn là chất nào tạo thành, mà là nhóm mới tiến vào từ phía nào. Suốt thập niên 1920–1930, các nhà hóa học tiếp tục truy tìm lời giải, và đến năm 1935 Hughes cùng Ingold đề xuất hai cơ chế cạnh tranh nhau để giải thích hiện tượng đó.

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 cacbon 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 cacbon 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.

Xác định tâm điện tích trước khi viết bất cứ thứ gì.

Khi bài hỏi về tốc độ, hãy đọc kỹ định luật tốc độ mà đề cho.

Viết rõ điện tích và cặp electron chưa liên kết trong mọi cấu trúc Lewis bạn vẽ.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: So sánh thí nghiệm 1 và 2, ta thấy nồng độ dẫn xuất halogen tăng gấp đôi trong khi nồng độ ion hydroxide giữ nguyên, và tốc độ cũng tăng đúng gấp đôi:

4{,}0\times10^{-4}/2{,}0\times10^{-4}=2

. Vì

2 = 2^1

nên bậc riêng phần theo dẫn xuất halogen bằng 1. Nói cách khác, chất nền góp mặt trong giai đoạn quyết định tốc độ.

2Bước 2: Làm tương tự với thí nghiệm 1 và 3, lần này nồng độ tác nhân ái nhân (nucleophile) tăng gấp đôi còn chất nền giữ nguyên, và tốc độ lại tăng gấp đôi. Do đó bậc riêng phần theo ion hydroxide cũng bằng 1, và biểu thức tốc độ là

v = k[\mathrm{C_4H_9Br}][\mathrm{OH^-}]

Tổng bậc của phản ứng bằng

1+1=2

, nghĩa là cả hai tiểu phân cùng xuất hiện trong bước chậm.

3Bước 3: Thay số liệu của thí nghiệm 1 vào biểu thức vừa lập:

k = v/([\mathrm{C_4H_9Br}][\mathrm{OH^-}]) = (2{,}0\times10^{-4})/(0{,}10\times0{,}10)

. Mẫu số bằng

1{,}0\times10^{-2}

, nên

k = 2{,}0\times10^{-2}

. Vì tổng bậc bằng 2, đơn vị của hằng số tốc độ phải là M⁻¹·s⁻¹; kiểm tra lại bằng thí nghiệm 3 cũng cho $ (4{,}0\times10^{-4})/(0{,}10\times0{,}20)=2{,}0\times10^{-2}$, đúng như vậy.

4Bước 4: Với câu (b), chỉ cần thay hai nồng độ mới vào cùng biểu thức:

v = (2{,}0\times10^{-2})(0{,}30)(0{,}30)

. Tích

0{,}30\times0{,}30 = 0{,}090

, nên

v = 1{,}8\times10^{-3}

M·s⁻¹. Kết quả này lớn gấp chín lần tốc độ ở thí nghiệm 1, hợp lý vì cả hai nồng độ đều tăng gấp ba.

5Bước 5: Với câu (c), việc cả hai chất cùng có mặt trong biểu thức tốc độ cho thấy phản ứng đi qua một giai đoạn duy nhất, trong đó liên kết C–Nu hình thành đồng thời với lúc liên kết C–Br đứt ra. Trạng thái chuyển tiếp (transition state) vì vậy chứa cả năm nhóm quanh nguyên tử carbon trung tâm, với nhóm rời (leaving group) và tác nhân ái nhân nằm ở hai phía đối diện. Hệ quả lập thể là cấu hình bị lật ngược, gọi là nghịch đảo cấu hình (inversion of configuration).

Phản ứng thế nucleophile của 1-bromobutane với ion hydroxide tuân theo biểu thức $v = k[\mathrm{C_4H_9Br}][\mathrm{OH^-}]$ với $k = 2{,}0\times10^{-2}$ M⁻¹·s⁻¹, nên ở nồng độ 0,30 M cho mỗi chất tốc độ đầu là $1{,}8\times10^{-3}$ M·s⁻¹. Vì bậc hai và chỉ một giai đoạn, đây là cơ chế lưỡng phân tử (SN2), kèm theo sự nghịch đảo cấu hình tại nguyên tử carbon bị tấn công.

2Ví dụ 2/2

2-bromo-2-methylpropane bị thủy phân trong hỗn hợp nước–etanol tạo ra 2-methylpropan-2-ol. Ở 25 °C, tốc độ đầu đo được như sau: khi [RBr] = 0,10 M và [OH⁻] = 0,10 M, tốc độ là 1,5×10⁻³ M·s⁻¹; khi [RBr] = 0,20 M và [OH⁻] = 0,10 M, tốc độ là 3,0×10⁻³ M·s⁻¹; khi [RBr] = 0,10 M và [OH⁻] = 0,30 M, tốc độ vẫn là 1,5×10⁻³ M·s⁻¹. Chất nền này phản ứng nhanh hơn 1-bromobutane trong cùng điều kiện.

aXác định bậc phản ứng theo từng chất và tính hằng số tốc độ kèm đơn vị.
bĐề xuất cơ chế hai giai đoạn phù hợp và chỉ rõ giai đoạn quyết định tốc độ.
cGiải thích vì sao chất nền bậc ba phản ứng theo cơ chế này nhanh hơn hẳn chất nền bậc một.

1Bước 1: Đối chiếu hai thí nghiệm đầu, nồng độ dẫn xuất halogen tăng gấp đôi thì tốc độ tăng gấp đôi, nên bậc theo chất nền bằng 1. Ngược lại, khi tăng nồng độ ion hydroxide lên gấp ba mà tốc độ không đổi, bậc theo tác nhân ái nhân bằng 0. Biểu thức tốc độ do đó chỉ chứa một chất:

v = k[\mathrm{RBr}]

2Bước 2: Tính hằng số tốc độ từ thí nghiệm bất kỳ:

k = (1{,}5\times10^{-3})/(0{,}10) = 1{,}5\times10^{-2}

. Kiểm tra bằng thí nghiệm thứ hai, $ (3{,}0\times10^{-3})/(0{,}20)$ cũng cho

1{,}5\times10^{-2}

. Vì tổng bậc bằng 1, đơn vị là s⁻¹ — khác hẳn đơn vị M⁻¹·s⁻¹ của phản ứng bậc hai.

3Bước 3: Việc tác nhân ái nhân vắng mặt trong biểu thức tốc độ buộc ta chấp nhận rằng nó chỉ tham gia sau bước chậm. Cơ chế hợp lý gồm giai đoạn một, chậm, là sự ion hóa

\mathrm{(CH_3)_3CBr \rightarrow (CH_3)_3C^+ + Br^-}

, và giai đoạn hai, nhanh, là nước hay ion hydroxide tấn công vào ion trung gian. Giai đoạn quyết định tốc độ chính là bước ion hóa, nên chỉ nồng độ chất nền mới ảnh hưởng đến tốc độ.

4Bước 4: Để trả lời câu (c), hãy nhìn vào tiểu phân trung gian. Ba nhóm methyl đẩy electron về phía nguyên tử carbon mang điện tích dương và làm giải tỏa điện tích, nhờ đó carbocation bậc ba (tertiary carbocation) bền hơn nhiều so với carbocation bậc một. Năng lượng hoạt hóa của bước ion hóa vì vậy thấp hơn, và tốc độ tăng lên tương ứng.

5Bước 5: Cần lưu ý thêm một hệ quả lập thể để phân biệt với cơ chế lưỡng phân tử. Ion trung gian có cấu trúc phẳng, tam giác, nên tác nhân ái nhân tấn công được từ cả hai mặt với xác suất gần bằng nhau. Do đó sản phẩm là hỗn hợp hai đồng phân đối quang chứ không phải một cấu hình lật ngược duy nhất.

Dữ liệu động học cho thấy phản ứng tuân theo $v = k[\mathrm{RBr}]$ với $k = 1{,}5\times10^{-2}$ s⁻¹, bậc không theo tác nhân ái nhân. Đây là cơ chế đơn phân tử (SN1) qua hai giai đoạn, trong đó bước ion hóa chậm quyết định tốc độ; chất nền bậc ba phản ứng nhanh vì ion trung gian của nó được các nhóm alkyl làm bền, và sản phẩm thu được là hỗn hợp racemic.

Liên quanhalide (sắp có)đồng phân lập thể (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.