Phản ứng E2 (Bimolecular Elimination)
Động học: Phản ứng E2 là phản ứng bậc hai, nghĩa là tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của cả chất nền và base. Tốc độ = k[Chất nền][Base].
Cơ chế: Phản ứng E2 diễn ra trong một bước duy nhất. Base lấy proton, liên kết C-H bị phá vỡ, liên kết C-nhóm rời bị phá vỡ, và liên kết đôi được hình thành đồng thời. Đây là một cơ chế đồng bộ.
Lập thể hóa học: Phản ứng E2 thường ưu tiên cấu hình anti-periplanar, nghĩa là proton và nhóm rời nằm ở hai phía đối diện của phân tử và trên cùng một mặt phẳng. Điều này cho phép sự xen phủ orbital tốt nhất để hình thành liên kết pi. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cấu hình syn-periplanar cũng có thể xảy ra, mặc dù ít phổ biến hơn.
Ví dụ: Phản ứng của bromoethane với hydroxide ion (OH–) để tạo thành ethene.
$CH_3CH_2Br + OH^- \rightarrow CH_2=CH_2 + H_2O + Br^-$
Yếu tố ảnh hưởng: Base mạnh, nhiệt độ cao, chất nền bậc cao thường tạo điều kiện cho phản ứng E2. Cụ thể, chất nền bậc ba thường ưu tiên phản ứng E2 hơn E1. Base cồng kềnh cũng thúc đẩy E2 do khó tấn công trực tiếp vào carbon để thực hiện phản ứng thế.
Phản ứng E1 (Unimolecular Elimination)
Động học: Phản ứng E1 là phản ứng bậc một, nghĩa là tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất nền. Tốc độ = k[Chất nền].
Cơ chế: Phản ứng E1 diễn ra theo hai bước:
- Bước 1 (chậm): Nhóm rời tách ra, tạo thành carbocation trung gian. Đây là bước quyết định tốc độ của phản ứng.
- Bước 2 (nhanh): Base lấy proton từ cacbon liền kề với carbocation, tạo thành liên kết đôi.
Lập thể hóa học: Vì carbocation là phẳng, phản ứng E1 không có yêu cầu lập thể hóa học nghiêm ngặt như E2. Sản phẩm chính thường là anken được thế nhiều hơn (theo quy tắc Zaitsev). Tuy nhiên, do sự hình thành carbocation trung gian, hiện tượng chuyển vị carbocation có thể xảy ra, dẫn đến sự hình thành sản phẩm không mong muốn.
Ví dụ: Phản ứng của tert-butyl bromide trong dung dịch ethanol.
$(CH_3)_3CBr \rightarrow (CH_3)_3C^+ + Br^-$ (Bước 1)
$(CH_3)_3C^+ + CH_3CH_2OH \rightarrow (CH_3)_2C=CH_2 + CH_3CH_2OH_2^+$ (Bước 2)
Lưu ý rằng ethanol, một base yếu, có thể hoạt động như một base trong E1. Nước cũng có thể đóng vai trò là base trong bước này.
Yếu tố ảnh hưởng: Dung môi phân cực (giúp ổn định carbocation), nhiệt độ vừa phải, chất nền bậc cao (dễ tạo carbocation ổn định), nhóm rời tốt (dễ tách ra) thường tạo điều kiện cho phản ứng E1.
So sánh E1 và E2
| Đặc điểm | E1 | E2 |
|---|---|---|
| Động học | Bậc một | Bậc hai |
| Cơ chế | Hai bước | Một bước |
| Lập thể | Không yêu cầu nghiêm ngặt | Anti-periplanar (chủ yếu) |
| Carbocation | Có | Không |
| Base | Yếu/vừa phải | Mạnh |
| Chất nền | Bậc cao | Tất cả các bậc, nhưng bậc cao ưu tiên E2 |
| Dung môi | Phân cực | Ít quan trọng hơn |
Quy tắc Zaitsev
Trong phản ứng tách, anken được thế nhiều hơn (anken có nhiều nhóm alkyl gắn vào cacbon của liên kết đôi) thường là sản phẩm chính. Điều này được giải thích bởi sự ổn định tương đối của các anken khác nhau. Anken được thế nhiều hơn ổn định hơn do hiệu ứng siêu liên hợp. Tuy nhiên, quy tắc này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, chẳng hạn như sự cồng kềnh không gian.
Kết luận
Phản ứng tách là một công cụ quan trọng trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các liên kết đôi. Việc hiểu rõ cơ chế E1 và E2 giúp dự đoán sản phẩm và điều khiển phản ứng theo hướng mong muốn. Việc lựa chọn điều kiện phản ứng phù hợp (base, dung môi, nhiệt độ) là chìa khóa để tối ưu hóa sản phẩm mong muốn.
Cạnh tranh giữa phản ứng thế và phản ứng tách
Trong nhiều trường hợp, phản ứng tách (E1 và E2) có thể cạnh tranh với phản ứng thế nucleophin (SN1 và SN2). Việc sản phẩm chính là sản phẩm thế hay sản phẩm tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:
- Cấu trúc chất nền: Chất nền bậc cao thường tạo điều kiện cho phản ứng tách, đặc biệt là E2. Chất nền bậc một thường ưu tiên SN2, trong khi chất nền bậc ba ưu tiên E2 với base mạnh và SN1/E1 với base yếu/dung môi phân cực. Chất nền bậc hai có thể tham gia cả bốn loại phản ứng tùy thuộc vào điều kiện.
- Bản chất của nucleophile/base: Nucleophile/base mạnh và cồng kềnh thường tạo điều kiện cho phản ứng tách (E2), trong khi nucleophile yếu và nhỏ gọn thường tạo điều kiện cho phản ứng thế (SN2). Ví dụ, tert-butoxide ($t$-$BuO^-$) là một base mạnh và cồng kềnh, thường tạo điều kiện cho E2. Iodide (I–) là một nucleophile tốt, ưu tiên SN2.
- Dung môi: Dung môi phân cực aprotic thường tạo điều kiện cho phản ứng thế (SN2), trong khi dung môi phân cực protic có thể tạo điều kiện cho cả phản ứng thế (SN1) và phản ứng tách (E1, E2).
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường tạo điều kiện cho phản ứng tách (cả E1 và E2).
Một số phản ứng tách đặc biệt
- Phản ứng tách Hofmann: Là phản ứng E2, trong đó base cồng kềnh ưu tiên lấy proton từ cacbon ít bị thế hơn, dẫn đến anken ít bị thế hơn là sản phẩm chính. Điều này trái ngược với quy tắc Zaitsev.
- Phản ứng tách Cope: Là phản ứng tách nhiệt, trong đó một N-oxide amine bậc ba bị phân hủy để tạo thành anken và hydroxylamine.
$R_2N^{+}-O^{-} \xrightarrow{\Delta} R_2C=CR_2 + R_2NOH$
Ứng dụng của phản ứng tách
Phản ứng tách có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:
- Tổng hợp anken: Phản ứng tách là phương pháp phổ biến để tổng hợp anken.
- Tổng hợp alkyne: Phản ứng tách kép có thể được sử dụng để tổng hợp alkyne. Điều này thường yêu cầu hai phản ứng E2 liên tiếp.
- Tổng hợp các hợp chất carbonyl: Phản ứng tách có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất carbonyl từ rượu (thông qua phản ứng khử nước của rượu).
- Tổng hợp các hợp chất dị vòng: Phản ứng tách có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng, là các hợp chất vòng chứa ít nhất một nguyên tử không phải carbon trong vòng.
Phản ứng tách là quá trình loại bỏ hai nhóm thế khỏi một phân tử để tạo thành liên kết đôi. Hai cơ chế chính của phản ứng tách là E1 và E2, khác nhau về động học và lập thể hóa học. E2 là phản ứng một bước, trong khi E1 là phản ứng hai bước, liên quan đến sự hình thành carbocation trung gian.
Phản ứng E2 ưu tiên cấu hình anti-periplanar giữa proton và nhóm rời, đòi hỏi một base mạnh. Ngược lại, E1 không có yêu cầu lập thể hóa học nghiêm ngặt và có thể xảy ra với base yếu hơn. Cả E1 và E2 đều được tạo điều kiện bởi chất nền bậc cao, nhưng E1 cũng được tạo điều kiện bởi dung môi phân cực.
Cần phải phân biệt giữa E1/E2 và SN1/SN2. Các yếu tố như cấu trúc chất nền, bản chất của nucleophile/base, dung môi và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến sự cạnh tranh giữa các cơ chế này. Ví dụ, base cồng kềnh thường tạo điều kiện cho E2, trong khi nucleophile nhỏ gọn thường tạo điều kiện cho SN2.
Quy tắc Zaitsev dự đoán rằng sản phẩm chính của phản ứng tách thường là anken được thế nhiều hơn. Tuy nhiên, phản ứng tách Hofmann là một ngoại lệ, tạo ra anken ít bị thế hơn do sử dụng base cồng kềnh.
Tóm lại, việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng E1 và E2 là rất quan trọng để dự đoán sản phẩm và điều khiển các phản ứng tổng hợp hữu cơ. Ghi nhớ các điểm khác biệt chính giữa E1 và E2, bao gồm động học, lập thể hóa học và các yếu tố ảnh hưởng, sẽ giúp bạn thành công trong việc nghiên cứu hoá học hữu cơ.
Tài liệu tham khảo:
- Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
- Wade, L. G. Organic Chemistry; Pearson Education: Upper Saddle River, NJ, 2013.
- Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry; Oxford University Press: Oxford, 2001.
- McMurry, J. Organic Chemistry; Cengage Learning: Boston, MA, 2016.
Câu hỏi và Giải đáp
Ngoài quy tắc Zaitsev, còn quy tắc nào khác chi phối sự hình thành sản phẩm trong phản ứng tách không? Hãy giải thích và cho ví dụ.
Trả lời: Có, đó là quy tắc Hofmann. Quy tắc Hofmann được áp dụng khi sử dụng base cồng kềnh như kali tert-butoxide ($t$-$BuOK$). Base cồng kềnh gặp khó khăn khi tiếp cận proton ở cacbon được thế nhiều hơn, nên sẽ ưu tiên lấy proton ở cacbon ít bị thế hơn, dẫn đến sản phẩm anken ít được thế hơn.
Ví dụ: Phản ứng của 2-brom-2-metylbutan với $t$-$BuOK$ sẽ tạo ra chủ yếu 2-metylbut-1-en (anken ít được thế hơn) thay vì 2-metylbut-2-en (anken được thế nhiều hơn theo quy tắc Zaitsev).
Điều gì xảy ra nếu chất nền trong phản ứng E1 là chiral? Sản phẩm thu được có bị racemic hóa không?
Trả lời: Nếu chất nền trong phản ứng E1 là chiral, sản phẩm thu được có thể bị racemic hóa. Do sự hình thành carbocation trung gian phẳng (sp2), nucleophile (base) có thể tấn công từ cả hai phía của carbocation, dẫn đến hỗn hợp racemic của hai enantiomer. Tuy nhiên, mức độ racemic hóa có thể không hoàn toàn do ảnh hưởng của nhóm rời, đôi khi vẫn còn tương tác với carbocation.
Ảnh hưởng của dung môi lên phản ứng E1 và E2 như thế nào?
Trả lời: Dung môi phân cực protic (như nước, rượu) tạo điều kiện cho cả E1 và SN1 bằng cách ổn định carbocation trung gian và anion nhóm rời. Dung môi phân cực aprotic (như DMSO, DMF) tạo điều kiện cho E2 và SN2 bằng cách làm tăng hoạt tính của nucleophile/base mà không solvat hóa nó mạnh.
Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của phản ứng E1 và E2 trong phòng thí nghiệm?
Trả lời: Phân biệt sản phẩm E1 và E2 có thể phức tạp vì cả hai đều tạo ra anken. Tuy nhiên, có thể sử dụng động học phản ứng. Bằng cách thay đổi nồng độ của base và theo dõi tốc độ phản ứng, ta có thể xác định bậc phản ứng. Nếu tốc độ phụ thuộc vào cả nồng độ base và chất nền, đó là E2. Nếu tốc độ chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất nền, đó là E1. Ngoài ra, phân tích sản phẩm phụ cũng có thể cung cấp thông tin.
Phản ứng tách có thể được sử dụng để tổng hợp những loại hợp chất nào ngoài anken?
Trả lời: Phản ứng tách có thể được sử dụng để tổng hợp alkyne thông qua phản ứng tách kép. Ví dụ, phản ứng của 1,2-đibromoetan với amid natri (NaNH2) tạo ra acetylene. Ngoài ra, một số phản ứng tách đặc biệt như phản ứng tách Cope có thể tạo ra các hợp chất khác như hydroxylamine.
- Nguồn gốc tên gọi E1 và E2: Chữ “E” trong E1 và E2 viết tắt của “Elimination” (tách). Số “1” và “2” đại diện cho bậc phân tử của phản ứng, tương ứng là bậc một và bậc hai. Điều này phản ánh sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ của chất nền và base.
- Vai trò của carbocation trong E1: Carbocation trung gian trong E1 rất dễ bị sắp xếp lại, dẫn đến sự hình thành sản phẩm không mong muốn. Sự sắp xếp lại này xảy ra khi một nhóm alkyl hoặc hydride chuyển dịch đến carbocation, tạo thành carbocation ổn định hơn. Hiểu được sự sắp xếp lại carbocation là rất quan trọng để dự đoán chính xác sản phẩm của phản ứng E1.
- Base không chỉ là base: Trong phản ứng E2, base không chỉ đóng vai trò là base mà còn có thể đóng vai trò là nucleophile. Điều này có thể dẫn đến sự cạnh tranh giữa phản ứng tách và phản ứng thế. Kích thước của base ảnh hưởng đến khả năng tấn công của nó. Base cồng kềnh khó tiếp cận cacbon mang nhóm rời, do đó ưu tiên phản ứng tách.
- Liên kết đôi không phải lúc nào cũng là sản phẩm cuối cùng: Sản phẩm của phản ứng tách, anken, có thể tiếp tục tham gia vào các phản ứng khác, chẳng hạn như phản ứng cộng, phản ứng oxy hóa và phản ứng trùng hợp. Điều này làm cho phản ứng tách trở thành một bước quan trọng trong nhiều chuỗi phản ứng tổng hợp hữu cơ phức tạp.
- Phản ứng tách trong sinh học: Phản ứng tách không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm. Nhiều quá trình sinh học quan trọng liên quan đến phản ứng tách, ví dụ như quá trình sinh tổng hợp cholesterol, quá trình tổng hợp một số hormone steroid, và một số phản ứng trong chu trình Krebs.
- Không chỉ là anti-periplanar: Mặc dù cấu hình anti-periplanar thường được ưu tiên trong E2, cấu hình syn-periplanar cũng có thể xảy ra, đặc biệt là khi có sự hạn chế về mặt không gian. Điều này cho thấy sự linh hoạt của phản ứng E2 trong các hệ thống khác nhau.
- Tìm kiếm sự ổn định: Động lực chính của cả phản ứng E1 và E2 là sự hình thành liên kết pi, tạo ra một hệ thống ổn định hơn. Carbocation trong E1 và trạng thái chuyển tiếp trong E2 đều được ổn định bởi các nhóm alkyl, theo quy tắc Zaitsev.