Cơ chế phản ứng SN1 (SN1 reaction mechanism)

Cơ chế phản ứng S_N1 diễn ra qua hai bước chính:

1. Bước ion hóa (Ionization Step): Đây là bước chậm và quyết định tốc độ của phản ứng. Trong bước này, liên kết giữa nhóm rời (leaving group) và nguyên tử cacbon trung tâm bị phá vỡ, tạo thành một cacbocation và một anion. Nhóm rời thường là một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có độ âm điện cao và ổn định khi ở dạng anion, ví dụ như halogen (Cl^–, Br^–, I^–), $H_2O$, v.v.

$R-X \rightarrow R^+ + X^-$

Ở đây, R là gốc alkyl và X là nhóm rời. Cacbocation được tạo thành là một chất trung gian phản ứng rất hoạt động. Sự hình thành cacbocation dễ dàng hơn ở các gốc alkyl bậc ba (3°) hơn bậc hai (2°) và bậc một (1°), do sự ổn định của cacbocation tăng theo thứ tự 1° < 2° < 3°. Đây là lý do tại sao phản ứng S_N1 thường xảy ra với các gốc alkyl bậc ba và bậc hai.

2. Bước tấn công ái nhân (Nucleophilic Attack): Trong bước nhanh này, tác nhân ái nhân (Nu^–) tấn công cacbocation, tạo thành sản phẩm cuối cùng. Vì cacbocation có cấu trúc phẳng, tác nhân ái nhân có thể tấn công từ cả hai phía của mặt phẳng, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp racemic (nếu cacbon trung tâm là cacbon bất đối xứng).

$R^+ + Nu^- \rightarrow R-Nu$

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S_N1

Các yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S_N1:

• Cấu trúc của chất nền: Cacbocation càng ổn định, phản ứng S_N1 càng diễn ra nhanh. Các gốc alkyl bậc ba tạo cacbocation ổn định hơn, do đó phản ứng nhanh hơn các gốc alkyl bậc hai và bậc một.
• Nhóm rời: Nhóm rời tốt (ổn định ở dạng anion) sẽ làm tăng tốc độ phản ứng. Những nhóm rời tốt thường là các bazơ liên hợp của các axit mạnh.
• Tác nhân ái nhân: Nồng độ và tính ái nhân của tác nhân ái nhân không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S_N1, vì bước quyết định tốc độ không liên quan đến tác nhân ái nhân. Tuy nhiên, tính ái nhân mạnh có thể dẫn đến phản ứng cạnh tranh S_N2.
• Dung môi: Dung môi phân cực protic (ví dụ: nước, methanol, ethanol) ưa thích phản ứng S_N1 vì chúng ổn định cacbocation và anion được tạo thành trong bước ion hóa thông qua solvat hóa.

Tóm lại: Phản ứng S_N1 là một phản ứng thế ái nhân bậc một, diễn ra qua cơ chế hai bước với sự hình thành cacbocation làm chất trung gian. Tốc độ phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của chất nền và nhóm rời, và được ưa chuộng bởi các chất nền tạo cacbocation ổn định, nhóm rời tốt, và dung môi phân cực protic.

Sự đảo cấu hình và racemic hóa trong phản ứng S_N1

Như đã đề cập, cacbocation trung gian có cấu trúc phẳng. Điều này có nghĩa là tác nhân ái nhân có thể tấn công từ cả hai phía của mặt phẳng. Nếu nguyên tử cacbon mang nhóm rời là một trung tâm chiral (cụ thể là carbon bất đối), sản phẩm của phản ứng S_N1 sẽ là một hỗn hợp racemic, tức là hỗn hợp gồm hai enantiomer với tỉ lệ gần bằng nhau. Hiện tượng này được gọi là racemic hóa. Nói cách khác, nếu chất ban đầu có hoạt tính quang học, sản phẩm sẽ có hoạt tính quang học giảm hoặc mất hoàn toàn.

Ví dụ, nếu chất nền là (R)-2-bromobutan, sản phẩm của phản ứng S_N1 sẽ là hỗn hợp racemic của (R)-2-butanol và (S)-2-butanol.

Sự cạnh tranh giữa S_N1 và S_N2

Phản ứng S_N1 và S_N2 là hai cơ chế cạnh tranh nhau. Việc phản ứng sẽ diễn ra theo cơ chế nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc của chất nền, tác nhân ái nhân, dung môi và nhiệt độ.

• Chất nền: Các chất nền bậc ba thường tham gia phản ứng S_N1, trong khi các chất nền bậc một thường tham gia phản ứng S_N2. Các chất nền bậc hai có thể tham gia cả hai cơ chế, tùy thuộc vào các yếu tố khác.
• Tác nhân ái nhân: Tác nhân ái nhân mạnh ưa thích S_N2, trong khi tác nhân ái nhân yếu ưa thích S_N1.
• Dung môi: Dung môi phân cực aprotic (ví dụ: DMSO, DMF) ưa thích S_N2, trong khi dung môi phân cực protic (ví dụ: nước, methanol) ưa thích S_N1.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường ưa thích S_N1.

Sự chuyển vị cacbocation

Trong một số trường hợp, cacbocation trung gian có thể trải qua sự chuyển vị, tức là sự di chuyển của một nhóm alkyl hoặc hydride từ một nguyên tử cacbon sang nguyên tử cacbon khác, để tạo thành một cacbocation ổn định hơn. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm không mong muốn. Ví dụ, sự chuyển vị 1,2-hydride hoặc 1,2-alkyl có thể xảy ra. Sự chuyển vị này thường xảy ra từ cacbon bậc thấp hơn sang cacbon bậc cao hơn.

Ví dụ về phản ứng S_N1

Phản ứng của tert-butyl bromide ($(CH_3)_3CBr$) với nước ($H_2O$) để tạo thành tert-butyl alcohol ($(CH_3)_3COH$) là một ví dụ điển hình của phản ứng S_N1. Phản ứng này diễn ra trong môi trường nước, đóng vai trò vừa là dung môi vừa là tác nhân ái nhân.

• Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2016). Organic chemistry: Structure and function. New York: W. H. Freeman and Company.
• Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2012). Organic chemistry. Oxford: Oxford University Press.
• McMurry, J. (2016). Organic chemistry. Boston: Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài halogen, những nhóm nào khác có thể đóng vai trò là nhóm rời tốt trong phản ứng S_N1?

Trả lời: Một số nhóm rời tốt khác trong phản ứng S_N1 bao gồm các nhóm sulfonate (ví dụ: tosylate $OTs$, mesylate $OMs$, triflate $OTf$), nước ($H_2O$ trong môi trường acid), và các nhóm phosphate. Những nhóm này đều có khả năng ổn định điện tích âm sau khi rời khỏi phân tử.

Tại sao dung môi phân cực protic lại ưa thích phản ứng S_N1 hơn dung môi phân cực aprotic?

Trả lời: Dung môi phân cực protic có khả năng solvat hóa cả cation (cacbocation) và anion (nhóm rời) thông qua liên kết hydro. Điều này giúp ổn định trạng thái chuyển hoá của bước ion hóa, làm giảm năng lượng hoạt hóa và tăng tốc độ phản ứng S_N1. Dung môi phân cực aprotic chỉ solvat hóa cation tốt, do đó không ổn định anion (nhóm rời) bằng dung môi protic, khiến phản ứng S_N1 kém hiệu quả hơn.

Nếu phản ứng S_N1 ưa thích cacbocation bậc ba, tại sao chất nền bậc một lại vẫn có thể tham gia phản ứng theo cơ chế này, mặc dù rất chậm?

Trả lời: Mặc dù rất chậm, phản ứng S_N1 vẫn có thể xảy ra với chất nền bậc một nếu nhóm rời rất tốt (ví dụ: $OTs$, $OMs$, $OTf$) và dung môi có tính phân cực cao. Trong những trường hợp này, sự ion hóa vẫn có thể xảy ra, mặc dù với tốc độ rất chậm, tạo ra cacbocation bậc một kém bền.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của phản ứng S_N1 và S_N2 khi chất nền là chiral?

Trả lời: Sản phẩm của phản ứng S_N1 thường là hỗn hợp racemic, trong khi sản phẩm của phản ứng S_N2 thường bị đảo cấu hình. Bằng cách đo hoạt tính quang học của sản phẩm, ta có thể phần nào xác định cơ chế phản ứng. Nếu hoạt tính quang học bị mất hoặc giảm đáng kể, phản ứng có thể đã diễn ra theo cơ chế S_N1. Nếu hoạt tính quang học bị đảo ngược, phản ứng có thể đã diễn ra theo cơ chế S_N2.

Sự chuyển vị cacbocation có thể ảnh hưởng đến sản phẩm của phản ứng S_N1 như thế nào?

Trả lời: Sự chuyển vị cacbocation xảy ra khi một nhóm alkyl hoặc hydride di chuyển từ một nguyên tử cacbon sang nguyên tử cacbon khác để tạo thành cacbocation ổn định hơn. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm không mong muốn, khác với sản phẩm dự đoán ban đầu nếu chỉ xét sự thế trực tiếp vào vị trí của nhóm rời. Ví dụ, sự chuyển vị 1,2-hydride hoặc 1,2-alkyl có thể xảy ra, tạo sản phẩm với nhóm thế ở vị trí khác so với vị trí của nhóm rời ban đầu.