Cơ chế phản ứng E2 (E2 reaction mechanism)

Cơ chế

Phản ứng E2 diễn ra theo một cơ chế đồng bộ, nghĩa là sự tách proton và sự rời đi của nhóm rời diễn ra đồng thời, không có chất trung gian hình thành. Một base mạnh tách một proton từ carbon $β$ (carbon liền kề với carbon mang nhóm rời). Đồng thời, cặp electron liên kết C-H chuyển sang tạo liên kết đôi C=C, đẩy nhóm rời ra khỏi carbon $α$ (carbon mang nhóm rời). Quá trình này có thể được minh họa bằng sơ đồ sau:

Việc hiểu rõ cơ chế đồng bộ này là chìa khóa để dự đoán sản phẩm chính của phản ứng E2, đặc biệt là trong trường hợp chất nền có nhiều hơn một carbon $β$.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng E2

Tốc độ và sản phẩm của phản ứng E2 chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố:

• Base: Cần một base mạnh để tách proton. Các base mạnh thường được sử dụng bao gồm hydroxide ($OH^-$), alkoxide ($RO^-$), và amide ($NH_2^-$). Base càng mạnh, phản ứng E2 càng được ưu tiên.
• Nhóm rời: Nhóm rời tốt là các base yếu và ổn định khi rời đi. Các ví dụ bao gồm halogen ($I^-, Br^-, Cl^-$), tosylate ($TsO^-$), và mesylate ($MsO^-$). Nhóm rời càng tốt, phản ứng E2 càng dễ xảy ra.
• Chất nền: Cấu trúc của alkyl halide ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng E2. Alkyl halide bậc 3 thường phản ứng E2 nhanh hơn alkyl halide bậc 2, và nhanh hơn alkyl halide bậc 1. Điều này là do sự ổn định tương đối của alken được hình thành (alken càng được thế, càng ổn định).
• Dung môi: Dung môi phân cực aprotic (ví dụ như DMSO, DMF) ủng hộ phản ứng E2 bằng cách tăng cường hoạt tính của base.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường ủng hộ phản ứng loại bỏ (E2) hơn phản ứng thế ($S_N2$).

Quy tắc Zaitsev

Phản ứng E2 thường tuân theo quy tắc Zaitsev, phát biểu rằng alken chính (alken được thế nhiều hơn) là sản phẩm chính của phản ứng. Điều này là do alken được thế nhiều hơn ổn định hơn về mặt nhiệt động lực học. Tuy nhiên, với một số base cồng kềnh (ví dụ như tert-butoxide), sản phẩm Hofmann (alken ít được thế hơn) có thể được ưu tiên.

So sánh E2 và E1

Sự khác biệt chính giữa cơ chế E2 và E1 được tóm tắt như sau:

• E2 là một phản ứng bimolecular, trong khi E1 là một phản ứng unimolecular.
• E2 diễn ra trong một bước, trong khi E1 diễn ra trong hai bước.
• E2 yêu cầu base mạnh, trong khi E1 có thể xảy ra với base yếu.
• E2 không tạo ra carbocation trung gian, trong khi E1 có sự hình thành carbocation.

Ví dụ

Phản ứng của 2-bromopropane với ion hydroxide ($OH^-$) tạo ra propene:

$CH_3CHBrCH_3 + OH^- \rightarrow CH_3CH=CH_2 + H_2O + Br^-$

Tóm lại

Phản ứng E2 là một phản ứng loại bỏ quan trọng trong hóa học hữu cơ, cho phép tạo liên kết đôi từ alkyl halide. Hiểu rõ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng này là cần thiết cho việc dự đoán sản phẩm và điều khiển phản ứng theo hướng mong muốn.

Stereohóa học của phản ứng E2

Phản ứng E2 thường diễn ra với stereohóa học anti-periplanar, nghĩa là proton bị tách và nhóm rời phải nằm ở hai mặt đối diện của phân tử và cùng nằm trên một mặt phẳng với hai nguyên tử carbon liên kết với chúng (carbon α và β). Sự sắp xếp này cho phép sự chồng chéo quỹ đạo tốt nhất giữa liên kết C-H bị phá vỡ và liên kết C-X bị phá vỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành liên kết π của liên kết đôi. Trong các hệ vòng, yêu cầu anti-periplanar này đôi khi dẫn đến sự hình thành sản phẩm ít được thế hơn nếu cấu trúc vòng không cho phép sự sắp xếp anti của proton β và nhóm rời.

Cạnh tranh giữa E2 và $S_N2$

Phản ứng E2 thường cạnh tranh với phản ứng thế ái nhân bậc hai ($S_N2$). Cả hai phản ứng này đều được ưa chuộng bởi các alkyl halide bậc thấp và base mạnh. Tuy nhiên, một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến tỉ lệ sản phẩm E2 so với $S_N2$:

• Base cồng kềnh: Base cồng kềnh như tert-butoxide ($t-BuO^-$) sẽ ưa chuộng E2 hơn $S_N2$ do khó khăn trong việc tiếp cận carbon α đối với phản ứng $S_N2$.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường ưa chuộng E2 hơn $S_N2$ do phản ứng loại bỏ có entropy dương hơn.
• Cấu trúc alkyl halide: Alkyl halide bậc ba thường ưa chuộng E2 do phản ứng $S_N2$ bị cản trở lập thể.

Ứng dụng của phản ứng E2

Phản ứng E2 được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra liên kết đôi C=C. Một số ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Tổng hợp alken: E2 là một phương pháp hiệu quả để điều chế alken từ alkyl halide.
• Tổng hợp alkyne: Phản ứng E2 kép có thể được sử dụng để điều chế alkyne từ dihalide.
• Tổng hợp các hợp chất vòng: Phản ứng E2 trong các hệ vòng có thể được sử dụng để tạo ra các hợp chất vòng không no.

• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
• Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry; Oxford University Press: Oxford, 2012.
• McMurry, J. Organic Chemistry; Cengage Learning: Boston, 2016.
• Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry; Springer: New York, 2007.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phản ứng E2 lại ưu tiên stereohóa học anti-periplanar?

Trả lời: Stereohóa học anti-periplanar cho phép sự chồng chéo quỹ đạo tốt nhất giữa liên kết C-H bị phá vỡ và liên kết C-X bị phá vỡ trong trạng thái chuyển tiếp. Sự sắp xếp này tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành liên kết π của liên kết đôi và giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Nói cách khác, sự sắp xếp anti-periplanar tối ưu hóa việc chuyển các electron từ liên kết C-H sang tạo liên kết đôi C=C và đẩy nhóm rời ra đi.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của phản ứng E2 và E1 khi cả hai đều có thể xảy ra?

Trả lời: Phân biệt sản phẩm E2 và E1 có thể dựa vào động học phản ứng và sự sắp xếp lại carbocation. E2 có động học bậc hai, trong khi E1 có động học bậc một. Ngoài ra, E1 thường đi kèm với sự sắp xếp lại carbocation, dẫn đến sản phẩm có cấu trúc khác so với sản phẩm của E2. Việc phân tích sản phẩm bằng các phương pháp phổ (NMR, IR,…) cũng giúp xác định cấu trúc chính xác của sản phẩm và từ đó suy ra cơ chế phản ứng.

Ngoài các base mạnh thông thường như $OH^-$ và $RO^-$, còn có loại base nào khác có thể được sử dụng trong phản ứng E2?

Trả lời: Một số base khác có thể được sử dụng trong E2 bao gồm LDA (lithium diisopropylamide), DBU (1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene), và DBN (1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene). Các base này thường được sử dụng trong các phản ứng E2 đặc biệt, yêu cầu điều kiện phản ứng khắc nghiệt hơn hoặc chọn lọc vùng cao hơn.

Điều gì xảy ra nếu không có proton β nào ở vị trí anti-periplanar với nhóm rời?

Trả lời: Nếu không có proton β nào ở vị trí anti-periplanar với nhóm rời, phản ứng E2 sẽ khó xảy ra hoặc diễn ra rất chậm. Trong trường hợp này, các phản ứng khác, như $S_N1$ hoặc $S_N2$, có thể cạnh tranh hoặc trở thành phản ứng chính. Đối với các hệ vòng, việc không có proton β ở vị trí anti có thể dẫn đến sự hình thành sản phẩm Hofmann, hoặc phản ứng E2 có thể không xảy ra.

Vai trò của dung môi trong phản ứng E2 là gì? Tại sao dung môi phân cực aprotic lại được ưa chuộng?

Trả lời: Dung môi đóng vai trò quan trọng trong phản ứng E2 bằng cách ảnh hưởng đến hoạt tính của base. Dung môi phân cực aprotic, như DMSO và DMF, solvat hóa cation kim loại của base mà không solvat hóa anion base. Điều này làm tăng hoạt tính của base, giúp nó dễ dàng tách proton β và thúc đẩy phản ứng E2. Ngược lại, dung môi protic, như nước và methanol, solvat hóa cả cation và anion của base, làm giảm hoạt tính của base và làm chậm phản ứng E2.