Cơ chế
Phản ứng E2 diễn ra theo cơ chế đồng bộ (concerted mechanism). Bazơ mạnh sẽ trừu tượng một proton từ carbon β, đồng thời liên kết giữa carbon α và nhóm rời (leaving group) bị phá vỡ, và liên kết đôi được hình thành. Quá trình này xảy ra đồng thời, không qua tạo thành carbocation trung gian. Điều này khác với phản ứng E1, diễn ra theo cơ chế hai bước.
Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng E2: Tốc độ phản ứng E2 phụ thuộc vào nồng độ của cả chất nền và bazơ, do đó được gọi là phản ứng bậc hai. Nồng độ bazơ càng cao và chất nền càng dễ bị tấn công thì tốc độ phản ứng càng nhanh.
Ví dụ
$CH_3CH_2Br + OH^- \rightarrow CH_2=CH_2 + H_2O + Br^-$
Trong ví dụ này, $OH^-$ là bazơ mạnh, $Br^-$ là nhóm rời, hydro trên carbon β (carbon liền kề với carbon mang nhóm rời) bị trừu tượng, và liên kết đôi được hình thành giữa hai carbon.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng E2
Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ và sản phẩm của phản ứng E2 bao gồm:
- Bazơ: Bazơ càng mạnh, phản ứng E2 càng dễ xảy ra. Các bazơ mạnh thường dùng là $OH^-$, $OR^-$, $NH_2^-$, v.v. Tính bazơ càng mạnh, khả năng trừu tượng proton càng cao, dẫn đến phản ứng E2 diễn ra nhanh hơn.
- Nhóm rời: Nhóm rời tốt (các anion ổn định) sẽ làm phản ứng E2 diễn ra dễ dàng hơn. Thứ tự khả năng rời nhóm tốt tăng dần: $I^- > Br^- > Cl^- > F^-$. Nhóm rời tốt hơn sẽ ổn định trạng thái chuyển tiếp và làm cho phản ứng diễn ra nhanh hơn.
- Cấu trúc của chất nền: Chất nền bậc ba ($3^\circ$) thường tham gia phản ứng E2 dễ hơn chất nền bậc hai ($2^\circ$) và bậc một ($1^\circ$). Điều này một phần là do sự cản trở không gian của chất nền bậc ba làm cho phản ứng SN2 khó xảy ra hơn, tạo điều kiện cho phản ứng E2 chiếm ưu thế.
- Dung môi: Dung môi phân cực aprotic (như DMSO, DMF) thường được sử dụng trong phản ứng E2 vì chúng hòa tan bazơ mạnh tốt mà không solvat hóa mạnh anion, làm tăng tính bazơ của chúng. Dung môi phân cực protic (như nước, metanol) lại làm giảm tính bazơ do solvat hóa anion.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường làm tăng tốc độ phản ứng E2.
Quy tắc Zaitsev
Trong phản ứng E2, nếu có thể tạo thành nhiều hơn một anken, sản phẩm chính thường là anken được thế nhiều hơn (anken bền hơn). Đây được gọi là quy tắc Zaitsev. Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ đối với quy tắc này, ví dụ như khi sử dụng bazơ cồng kềnh, sản phẩm chính có thể là anken Hofmann (anken ít được thế hơn).
So sánh E2 với E1
| Đặc điểm | E2 | E1 |
|---|---|---|
| Cơ chế | Một bước | Hai bước |
| Động học | Bậc hai | Bậc một |
| Bazơ | Mạnh | Yếu |
| Chất nền | $3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$ | $3^\circ > 2^\circ > 1^\circ$ |
| Sản phẩm chính | Anken Zaitsev (thường) | Anken Zaitsev (thường) |
| Phân lập cacbocation | Không | Có |
| Sự sắp xếp lại | Không | Có thể |
Ứng dụng
Phản ứng E2 được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các liên kết đôi, đặc biệt là trong việc tổng hợp các anken. Nó là một công cụ quan trọng để xây dựng các phân tử phức tạp hơn, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dược phẩm và hóa chất.
Lập thể hóa học của phản ứng E2
Phản ứng E2 thường ưu tiên sự loại bỏ anti-periplanar, nghĩa là proton β và nhóm rời phải nằm trên cùng một mặt phẳng, nhưng ở vị trí đối diện nhau (góc nhị diện 180°). Sự sắp xếp này cho phép sự chồng chéo quỹ đạo tốt nhất cho việc hình thành liên kết pi và phá vỡ liên kết sigma. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, sự loại bỏ syn-periplanar (cùng phía, góc nhị diện 0°) cũng có thể xảy ra, nhưng ít phổ biến hơn. Sự ưu tiên loại bỏ anti-periplanar là do sự sắp xếp này làm giảm tương tác lập thể giữa bazơ và nhóm rời trong trạng thái chuyển tiếp.
Ví dụ về lập thể hóa học:
Xét phản ứng E2 của menthyl chloride và neomenthyl chloride với bazơ mạnh. Menthyl chloride phản ứng chậm hơn nhiều so với neomenthyl chloride vì nhóm isopropyl cồng kềnh cản trở việc đạt được cấu hình anti-periplanar cần thiết cho sự loại bỏ. Trong khi đó, neomenthyl chloride có thể dễ dàng đạt được cấu hình này, do đó phản ứng nhanh hơn.
Cạnh tranh giữa phản ứng E2 và SN2
Phản ứng E2 thường cạnh tranh với phản ứng SN2 (thay thế nucleophin bậc hai), đặc biệt khi sử dụng bazơ mạnh và chất nền bậc hai hoặc bậc ba. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự cạnh tranh này bao gồm:
- Tính bazơ/tính nucleophin: Bazơ mạnh và nucleophin yếu ưu tiên E2, trong khi bazơ yếu và nucleophin mạnh ưu tiên SN2. Ví dụ, tert-butoxide là một bazơ mạnh nhưng nucleophin yếu, do đó thường thúc đẩy phản ứng E2.
- Cản trở không gian: Chất nền càng cồng kềnh, phản ứng E2 càng được ưu tiên do sự cản trở không gian làm khó cho phản ứng SN2 xảy ra. Cản trở không gian xung quanh carbon α làm cho việc tấn công của nucleophin trở nên khó khăn hơn.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn thường ưu tiên phản ứng E2 vì phản ứng E2 có entropi hoạt hóa dương hơn so với SN2.
Ví dụ về cạnh tranh E2/SN2:
Phản ứng của tert-butyl bromide với $OH^-$ chủ yếu tạo ra sản phẩm E2 (isobutene) do sự cản trở không gian lớn xung quanh carbon α. Trong khi đó, phản ứng của ethyl bromide với $OH^-$ tạo ra cả sản phẩm E2 (ethene) và SN2 (ethanol), với tỉ lệ sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện phản ứng.
Phản ứng E2 là một phản ứng loại bỏ bậc hai, diễn ra trong một bước duy nhất. Bazơ mạnh trừu tượng một proton từ carbon $\beta$ đồng thời với việc nhóm rời tách khỏi carbon $\alpha$, tạo thành liên kết đôi. Cơ chế này được gọi là cơ chế đồng bộ. Điều quan trọng cần nhớ là phản ứng E2 yêu cầu một bazơ mạnh.
Lập thể hóa học của phản ứng E2 thường ưu tiên sự loại bỏ anti-periplanar. Điều này có nghĩa là proton $\beta$ và nhóm rời phải nằm trên cùng một mặt phẳng nhưng ở vị trí đối diện nhau. Sự sắp xếp này tối ưu hóa sự chồng chéo quỹ đạo cho việc hình thành liên kết pi. Tuy nhiên, đôi khi sự loại bỏ syn-periplanar cũng có thể xảy ra.
Phản ứng E2 thường cạnh tranh với phản ứng SN2. Các yếu tố như tính bazơ/tính nucleophin, sự cản trở không gian và nhiệt độ ảnh hưởng đến sự cạnh tranh này. Bazơ mạnh và nucleophin yếu ưu tiên E2, trong khi bazơ yếu và nucleophin mạnh ưu tiên SN2. Chất nền cồng kềnh và nhiệt độ cao cũng ưu tiên E2. Việc hiểu được các yếu tố này là rất quan trọng để dự đoán sản phẩm chính của phản ứng.
Cuối cùng, quy tắc Zaitsev nói rằng nếu có thể tạo thành nhiều hơn một anken, sản phẩm chính thường là anken được thế nhiều hơn (anken bền hơn). Điều này là do sự ổn định tương đối của các anken khác nhau.
Tài liệu tham khảo:
- Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function, 8th ed.; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
- Smith, J. G. Organic Chemistry, 5th ed.; McGraw-Hill Education: New York, 2017.
- Wade, L. G. Organic Chemistry, 9th ed.; Pearson Education: New York, 2017.
- Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry, 2nd ed.; Oxford University Press: Oxford, 2012.
Câu hỏi và Giải đáp
Tại sao bazơ mạnh lại cần thiết cho phản ứng E2?
Trả lời: Bazơ mạnh cần thiết để trừu tượng proton $\beta$ một cách hiệu quả. Vì phản ứng E2 là một bước đồng bộ, việc trừu tượng proton và sự tách rời của nhóm rời xảy ra đồng thời. Một bazơ yếu sẽ không đủ mạnh để trừu tượng proton một cách nhanh chóng, dẫn đến sự cạnh tranh với các phản ứng khác, chẳng hạn như SN2.
Làm thế nào để phân biệt giữa cơ chế E1 và E2?
Trả lời: Có một số cách để phân biệt giữa E1 và E2. Đầu tiên, động học của phản ứng E1 là bậc một, trong khi động học của phản ứng E2 là bậc hai. Thứ hai, E1 yêu cầu một bazơ yếu, trong khi E2 yêu cầu một bazơ mạnh. Thứ ba, E1 thường tạo ra cacbocation trung gian, trong khi E2 không. Cuối cùng, tốc độ phản ứng E1 phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của chất nền (bậc 3 > bậc 2 > bậc 1), trong khi tốc độ phản ứng E2 ít phụ thuộc vào cấu trúc của chất nền khi sử dụng bazơ mạnh.
Giả sử phản ứng của 2-bromobutane với natri etoxide ($NaOCH_2CH_3$). Sản phẩm chính là gì và tại sao?
Trả lời: Sản phẩm chính là 2-butene. Đây là anken được thế nhiều hơn và được hình thành theo quy tắc Zaitsev. Etoxide là một bazơ mạnh, do đó phản ứng E2 được ưu tiên. Mặc dù 1-butene cũng có thể được tạo thành, nhưng nó là sản phẩm phụ do ít được thế hơn.
Điều gì xảy ra nếu chất nền không có proton $\beta$ anti-periplanar với nhóm rời?
Trả lời: Nếu chất nền không có proton $\beta$ anti-periplanar với nhóm rời, phản ứng E2 vẫn có thể xảy ra, nhưng với tốc độ chậm hơn. Trong trường hợp này, sự loại bỏ syn-periplanar có thể xảy ra, hoặc chất nền có thể trải qua sự quay vòng liên kết để đạt được cấu hình anti-periplanar. Nếu không thể đạt được cấu hình anti-periplanar, phản ứng E2 có thể không xảy ra hoặc chuyển sang cơ chế E1 nếu điều kiện cho phép (bazơ yếu, dung môi phân cực).
Ngoài $OH^-$ và $OR^-$, hãy kể tên một số bazơ mạnh khác thường được sử dụng trong phản ứng E2?
Trả lời: Một số bazơ mạnh khác thường được sử dụng trong phản ứng E2 bao gồm amide ($NH_2^-$), hydride ($H^-$), LDA (lithium diisopropylamide), và DBU (1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene). Những bazơ này thường được sử dụng khi cần điều kiện phản ứng mạnh hơn hoặc chọn lọc hơn.
- “E2” không chỉ là viết tắt: Mặc dù E2 là viết tắt của “Elimination Bimolecular,” phản ứng này cũng được gọi là “bimolecular elimination,” “second-order elimination,” và “1,2-elimination.” Sự đa dạng trong tên gọi phản ánh tầm quan trọng của phản ứng này trong hóa hữu cơ.
- Không phải lúc nào Zaitsev cũng đúng: Mặc dù quy tắc Zaitsev thường đúng, nhưng có những ngoại lệ. Khi sử dụng bazơ cồng kềnh như tert-butoxide kali, sản phẩm Hofmann (anken ít được thế hơn) có thể trở thành sản phẩm chính. Đây là do bazơ cồng kềnh gặp khó khăn trong việc tiếp cận proton $\beta$ của carbon được thế nhiều hơn, do đó ưu tiên loại bỏ proton từ carbon ít được thế hơn.
- E2 có thể được sử dụng để tạo ra các alkyne: Phản ứng E2 không chỉ giới hạn ở việc tạo ra anken. Bằng cách thực hiện hai lần loại bỏ liên tiếp trên một phân tử dihaloalkane, ta có thể tạo ra một alkyne. Điều này mở ra nhiều khả năng cho việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp.
- E2 là một công cụ quan trọng trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên: Phản ứng E2 được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên phức tạp, bao gồm các terpen, steroid, và alkaloid. Khả năng tạo ra các liên kết đôi một cách chọn lọc và lập thể đặc hiệu làm cho E2 trở thành một công cụ vô giá trong lĩnh vực này.
- Deuterium có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về E2: Việc sử dụng đồng vị deuterium ($^2H$) có thể cung cấp thông tin quý giá về cơ chế E2. Ví dụ, bằng cách thay thế proton $\beta$ bằng deuterium, ta có thể nghiên cứu hiệu ứng đồng vị động học và xác định xem việc phá vỡ liên kết C-H (hoặc C-D) có phải là bước quyết định tốc độ của phản ứng hay không.