Phản ứng thế ái điện tử (Electrophilic substitution reactions)

Cơ chế chung:

Phản ứng thế ái điện tử thường diễn ra theo cơ chế hai bước:

1. Bước 1: Tấn công của ái điện tử: Ái điện tử (E⁺) tấn công vào vòng thơm giàu điện tử, tạo thành một carbocation trung gian. Vòng thơm mất tính thơm tạm thời trong bước này.

   $ArH + E^+ \rightarrow ArHE^+$

2. Bước 2: Tách proton: Một proton (H⁺) bị tách ra khỏi carbocation trung gian, khôi phục lại tính thơm của vòng và tạo thành sản phẩm thế.

   $ArHE^+ \rightarrow ArE + H^+$

Việc sử dụng danh sách có thứ tự (

1. ) sẽ rõ ràng hơn trong việc diễn tả các bước của cơ chế phản ứng so với danh sách không có thứ tự (
   1. ). Ngoài ra, tôi cũng đã sử dụng thẻ

^{để biểu diễn điện tích dương cho chính xác hơn.}

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

• Tính ái điện tử của ái điện tử: Ái điện tử càng mạnh, phản ứng diễn ra càng dễ dàng.
• Mật độ điện tử của vòng thơm: Vòng thơm càng giàu điện tử, khả năng bị tấn công bởi ái điện tử càng cao. Các nhóm thế đẩy điện tử (như -CH₃, -OH, -NH₂) làm tăng mật độ điện tử của vòng, trong khi các nhóm hút điện tử (như -NO₂, -COOH, -CN) làm giảm mật độ điện tử.
• Vị trí thế: Các nhóm thế trên vòng thơm ảnh hưởng đến vị trí mà ái điện tử sẽ tấn công. Nhóm đẩy điện tử thường định hướng ortho và para, trong khi nhóm hút điện tử thường định hướng meta.

Một số ví dụ về phản ứng thế ái điện tử

• Halogen hóa: Thay thế một nguyên tử hydro bằng halogen (Cl, Br, I). Ví dụ: phản ứng của benzen với Br₂ có xúc tác FeBr₃ tạo thành brombenzen.

  $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

• Nitrat hóa: Thay thế một nguyên tử hydro bằng nhóm nitro (-NO₂). Ví dụ: phản ứng của benzen với HNO₃ có xúc tác H₂SO₄ tạo thành nitrobenzen.

  $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$

• Sulfon hóa: Thay thế một nguyên tử hydro bằng nhóm sulfonic (-SO₃H). Ví dụ: phản ứng của benzen với H₂SO₄ đậm đặc tạo thành axit benzensulfonic.

  $C_6H_6 + H_2SO_4 \rightarrow C_6H_5SO_3H + H_2O$

• Alkyl hóa Friedel-Crafts: Thay thế một nguyên tử hydro bằng nhóm alkyl. Ví dụ: phản ứng của benzen với CH₃Cl có xúc tác AlCl₃ tạo thành toluen.

  $C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

• Acyl hóa Friedel-Crafts: Thay thế một nguyên tử hydro bằng nhóm acyl. Ví dụ: phản ứng của benzen với CH₃COCl có xúc tác AlCl₃ tạo thành acetophenone.

  $C_6H_6 + CH_3COCl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5COCH_3 + HCl$

Ứng dụng

Phản ứng thế ái điện tử có vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, được sử dụng rộng rãi để điều chế nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng như thuốc nhuộm, dược phẩm, polymer,…

Phản ứng thế ái điện tử là một loại phản ứng cơ bản và quan trọng trong hóa học hữu cơ. Hiểu rõ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng này sẽ giúp chúng ta điều khiển và ứng dụng nó một cách hiệu quả.

Tôi đã thêm thẻ <h3> cho tiêu đề “Ứng dụng” và in đậm câu cuối cùng để nhấn mạnh tầm quan trọng của phản ứng này. Tôi cũng đã sử dụng thẻ subscript cho các chỉ số trong công thức hóa học và dùng thẻ để in nghiêng các từ ortho, meta, para.

Ảnh hưởng của nhóm thế có sẵn trên vòng benzen

Như đã đề cập, các nhóm thế đã có mặt trên vòng benzen có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phản ứng và vị trí thế của phản ứng tiếp theo. Chúng được chia thành hai nhóm chính:

• Nhóm hoạt hóa: Làm tăng hoạt tính của vòng benzen, khiến nó dễ dàng phản ứng với ái điện tử hơn so với benzen. Các nhóm này thường là nhóm đẩy electron (+M, +I) thông qua hiệu ứng cộng hưởng (+M) hoặc hiệu ứng cảm ứng (+I). Ví dụ: -OH, -OR, -NH₂, -NR₂, -alkyl. Nhóm hoạt hóa định hướng ortho và para.
• Nhóm phản hoạt hóa: Làm giảm hoạt tính của vòng benzen, khiến nó khó phản ứng với ái điện tử hơn so với benzen. Các nhóm này thường là nhóm hút electron (-M, -I). Ví dụ: -NO₂, -CN, -COOH, -SO₃H, -CHO, -COR, -X (halogen). Nhóm halogen là một trường hợp đặc biệt, mặc dù phản hoạt hóa vòng benzen nhưng lại định hướng ortho và para. Các nhóm phản hoạt hóa khác (trừ halogen) định hướng meta.

So sánh khả năng phản ứng của một số hợp chất thơm

Hoạt tính của vòng thơm trong phản ứng thế ái điện tử giảm dần theo thứ tự sau:

Anilin > Phenol > Toluen > Benzen > Clorobenzen > Nitrobenzen

Một số phản ứng thế ái điện tử khác

Ngoài các phản ứng đã nêu ở phần trước, còn một số phản ứng thế ái điện tử khác như:

• Phản ứng Gattermann-Koch: Tổng hợp aldehyde thơm từ benzen hoặc các dẫn xuất của benzen bằng CO và HCl khan với xúc tác AlCl₃/CuCl.

  $ArH + CO + HCl \xrightarrow{AlCl_3/CuCl} ArCHO + HCl$

• Phản ứng Gattermann: Tổng hợp aldehyde thơm từ benzen hoặc các dẫn xuất của benzen bằng HCN và HCl khan với xúc tác ZnCl₂.

  $ArH + HCN + HCl \xrightarrow{ZnCl_2} ArCHO + NH_4Cl$

• Phản ứng Vilsmeier-Haack: Tổng hợp aldehyde thơm từ benzen hoặc các dẫn xuất của benzen bằng dimethylformamide (DMF) và POCl₃.

  $ArH + (CH_3)_2NCHO + POCl_3 \rightarrow ArCHO + (CH_3)_2NH \cdot POCl_2$

• Phản ứng Kolbe-Schmitt: Phản ứng carboxyl hóa phenol với CO₂ dưới áp suất và nhiệt độ cao, tạo thành axit salicylic.

  $C_6H_5OH + CO_2 \rightarrow o-HOC_6H_4COOH$

• Organic Chemistry, Paula Yurkanis Bruice
• Organic Chemistry, Kenneth L. Williamson
• Organic Chemistry, Vollhardt & Schore
• March’s Advanced Organic Chemistry, Michael B. Smith
• Advanced Organic Chemistry, Francis A. Carey, Richard J. Sundberg

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao nhóm nitro (-NO$_2$) lại phản hoạt hóa vòng benzen và định hướng meta trong phản ứng thế ái điện tử?

Trả lời: Nhóm nitro (-NO$_2$) có hiệu ứng hút electron mạnh (-M, -I) do nguyên tử nitơ mang điện tích dương một phần. Hiệu ứng này làm giảm mật độ electron trên toàn vòng benzen, đặc biệt là ở vị trí ortho và para. Do đó, điện tử ái sẽ ưu tiên tấn công vào vị trí meta, nơi mật độ electron cao hơn so với ortho và para.

So sánh khả năng phản ứng của phenol và toluen trong phản ứng thế ái điện tử. Giải thích.

Trả lời: Phenol phản ứng nhanh hơn toluen trong phản ứng thế ái điện tử. Nhóm hydroxyl (-OH) trong phenol có hiệu ứng cộng hưởng mạnh (+M) đẩy electron vào vòng benzen, làm tăng mật độ electron, đặc biệt ở vị trí ortho và para. Trong khi đó, nhóm methyl (-CH$_3$) trong toluen chỉ có hiệu ứng cảm ứng (+I) yếu hơn. Do đó, phenol hoạt hóa vòng mạnh hơn toluen.

Tại sao phản ứng alkyl hóa Friedel-Crafts có thể gặp vấn đề với sự sắp xếp lại carbocation? Cho ví dụ.

Trả lời: Trong phản ứng alkyl hóa Friedel-Crafts, carbocation trung gian có thể bị sắp xếp lại thành carbocation bền hơn trước khi tấn công vào vòng benzen. Ví dụ, khi cho 1-cloropropan phản ứng với benzen với xúc tác AlCl$_3$, sản phẩm chính lại là isopropylbenzen chứ không phải n-propylbenzen. Điều này là do carbocation n-propyl (CH$_3$CH$_2$CH$_2^{+}$) kém bền hơn carbocation isopropyl ((CH$_3$)$_2$CH$^{+}$).

Ngoài AlCl$_3$, còn chất xúc tác nào khác có thể được sử dụng trong phản ứng Friedel-Crafts?

Trả lời: Một số Lewis acid khác cũng có thể được sử dụng làm xúc tác trong phản ứng Friedel-Crafts, bao gồm FeCl$_3$, BF$_3$, ZnCl$_2$, và SnCl$_4$. Tuy nhiên, AlCl$_3$ vẫn là chất xúc tác phổ biến nhất do hiệu quả và giá thành hợp lý.

Ứng dụng của phản ứng thế ái điện tử trong đời sống là gì?

Trả lời: Phản ứng thế ái điện tử có rất nhiều ứng dụng trong đời sống, ví dụ như trong sản xuất thuốc nhuộm, dược phẩm (như aspirin), chất dẻo, và nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng khác. Phản ứng này là một công cụ quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, giúp tạo ra các phân tử phức tạp từ các nguyên liệu đơn giản.