Bài học

Phản ứng thế nucleophin — so sánh SN1 và SN2

Em sẽ làm được gì?

Phân biệt hai con đường thế nucleophin bằng động học và cấu trúc, rồi dự đoán dẫn xuất halogen nào đi theo cơ chế nào trước khi tính toán bất cứ điều gì.

Cần nhớ trước

Lớp 11 nền tảng đã cho em viết $CH_3CH_2Cl + NaOH (aq, t°) \rightarrow CH_3CH_2OH + NaCl$ như một phản ứng thế xảy ra gọn trong một bước, không hỏi thêm gì về cách nó xảy ra. Bài này mở đúng phương trình đó ra để xem bên trong có gì.

Hai bình đựng cùng nồng độ $NaOH$ loãng. Bình 1 chứa metyl bromua ( $CH_3Br$ ), bình 2 chứa tert-butyl bromua ( $(CH_3)_3CBr$ ). Đun nhẹ, bình 2 mất màu chỉ thị và đổi tính chất nhanh hơn hẳn bình 1, dù $NaOH$ trong cả hai bình có nồng độ như nhau. Một dẫn xuất bậc III phản ứng nhanh hơn bậc I gấp nhiều lần — điều này ngược hẳn với cảm giác "nhóm cồng kềnh hơn thì khó phản ứng hơn". Cơ chế thế nucleophin giải thích được vì sao.

Hai bình đựng cùng nồng độ $NaOH$ loãng. Bình 1 chứa metyl bromua ($CH_3Br$), bình 2 chứa tert-butyl bromua ($(CH_3)_3CBr$). Đun nhẹ, bình 2 mất màu chỉ thị và đổi tính chất nhanh hơn hẳn bình 1, dù $NaOH$ trong cả hai bình có nồng độ như nhau. Một dẫn xuất bậc III phản ứng nhanh hơn bậc I gấp nhiều lần — điều này ngược hẳn với cảm giác "nhóm cồng kềnh hơn thì khó phản ứng hơn". Cơ chế thế nucleophin giải thích được vì sao.

SN2 — một giai đoạn, đảo cấu hình

Trong $SN2$ (Substitution Nucleophilic Bimolecular), nucleophin tấn công carbon mang nhóm rời từ phía đối diện với $C-X$ đúng lúc liên kết $C-X$ đang đứt — một giai đoạn duy nhất, không qua chất trung gian. Vì cả nucleophin và dẫn xuất halogen đều tham gia vào bước quyết định tốc độ, tốc độ phản ứng phụ thuộc cả hai: $v = k[RX][Nu^-]$ . Do nucleophin tấn công từ phía sau, cấu hình không gian tại carbon bị đảo ngược — gọi là đảo cấu hình Walden. $SN2$ cần nucleophin tiếp cận trực tiếp carbon trung tâm, nên càng nhiều nhóm alkyl án ngữ quanh carbon đó, phản ứng càng chậm: metyl và bậc I thuận lợi nhất, bậc III gần như không xảy ra theo con đường này vì ba nhóm alkyl chắn hết lối vào.

Trong $SN2$ (Substitution Nucleophilic Bimolecular), nucleophin tấn công carbon mang nhóm rời từ phía đối diện với $C-X$ đúng lúc liên kết $C-X$ đang đứt — một giai đoạn duy nhất, không qua chất trung gian. Vì cả nucleophin và dẫn xuất halogen đều tham gia vào bước quyết định tốc độ, tốc độ phản ứng phụ thuộc cả hai: $v = k[RX][Nu^-]$. Do nucleophin tấn công từ phía sau, cấu hình không gian tại carbon bị đảo ngược — gọi là đảo cấu hình Walden. $SN2$ cần nucleophin tiếp cận trực tiếp carbon trung tâm, nên càng nhiều nhóm alkyl án ngữ quanh carbon đó, phản ứng càng chậm: metyl và bậc I thuận lợi nhất, bậc III gần như không xảy ra theo con đường này vì ba nhóm alkyl chắn hết lối vào.

SN1 — hai giai đoạn, qua carbocation

Trong $SN1$ (Substitution Nucleophilic Unimolecular), liên kết $C-X$ tự đứt trước, sinh ra carbocation; nucleophin chỉ tấn công ở bước sau, nhanh hơn nhiều so với bước ion hóa. Vì bước quyết định tốc độ chỉ có $RX$ tham gia, tốc độ không phụ thuộc nồng độ nucleophin: $v = k[RX]$ . Carbocation càng bền, bước ion hóa càng dễ xảy ra — nên $SN1$ ưu tiên dẫn xuất bậc III (carbocation bậc III bền nhờ hiệu ứng đẩy electron của ba nhóm alkyl xung quanh), trong khi bậc I gần như không đi theo con đường này vì carbocation bậc I quá kém bền. Vì carbocation trung gian phẳng, nucleophin có thể tấn công từ cả hai phía — sản phẩm mất đi thông tin về hướng ban đầu của liên kết $C-X$ , khác hẳn với sự đảo cấu hình một chiều của $SN2$ .

Trong $SN1$ (Substitution Nucleophilic Unimolecular), liên kết $C-X$ tự đứt trước, sinh ra carbocation; nucleophin chỉ tấn công ở bước sau, nhanh hơn nhiều so với bước ion hóa. Vì bước quyết định tốc độ chỉ có $RX$ tham gia, tốc độ không phụ thuộc nồng độ nucleophin: $v = k[RX]$. Carbocation càng bền, bước ion hóa càng dễ xảy ra — nên $SN1$ ưu tiên dẫn xuất bậc III (carbocation bậc III bền nhờ hiệu ứng đẩy electron của ba nhóm alkyl xung quanh), trong khi bậc I gần như không đi theo con đường này vì carbocation bậc I quá kém bền. Vì carbocation trung gian phẳng, nucleophin có thể tấn công từ cả hai phía — sản phẩm mất đi thông tin về hướng ban đầu của liên kết $C-X$, khác hẳn với sự đảo cấu hình một chiều của $SN2$.

Dung môi cũng quyết định con đường nào chiếm ưu thế

Cùng một dẫn xuất bậc II — nơi cả hai cơ chế đều khả dĩ — có thể đổi hẳn con đường phản ứng chỉ vì đổi dung môi. Dung môi phân cực protic (nước, ancol, có $H$ linh động để tạo liên kết hydro) bao bọc tốt cả cation lẫn anion, ổn định carbocation đang hình thành ở bước ion hóa — thuận lợi cho $SN1$ . Cùng dung môi đó lại làm chậm hẳn $SN2$ , vì lớp vỏ liên kết hydro bao quanh nucleophin (ví dụ $OH^-$ ) giữ chặt lấy nó, khiến nucleophin khó tự do tấn công. Dung môi phân cực aprotic (như axeton, $DMSO$ , không có $H$ linh động) không bao bọc được anion theo cách đó — nucleophin ở trạng thái "trần", phản ứng mạnh hơn hẳn — thuận lợi cho $SN2$ . Vì vậy, khi một đề bài đổi dung môi mà giữ nguyên chất phản ứng, đó thường là tín hiệu đề đang hỏi về sự thay đổi cơ chế, không phải một chi tiết ngẫu nhiên.

Cùng một dẫn xuất bậc II — nơi cả hai cơ chế đều khả dĩ — có thể đổi hẳn con đường phản ứng chỉ vì đổi dung môi. Dung môi phân cực protic (nước, ancol, có $H$ linh động để tạo liên kết hydro) bao bọc tốt cả cation lẫn anion, ổn định carbocation đang hình thành ở bước ion hóa — thuận lợi cho $SN1$. Cùng dung môi đó lại làm chậm hẳn $SN2$, vì lớp vỏ liên kết hydro bao quanh nucleophin (ví dụ $OH^-$) giữ chặt lấy nó, khiến nucleophin khó tự do tấn công. Dung môi phân cực aprotic (như axeton, $DMSO$, không có $H$ linh động) không bao bọc được anion theo cách đó — nucleophin ở trạng thái "trần", phản ứng mạnh hơn hẳn — thuận lợi cho $SN2$. Vì vậy, khi một đề bài đổi dung môi mà giữ nguyên chất phản ứng, đó thường là tín hiệu đề đang hỏi về sự thay đổi cơ chế, không phải một chi tiết ngẫu nhiên.

Vì bước chậm chỉ có RX, tốc độ SN1 không phụ thuộc nồng độ nucleophin.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Đọc dữ kiện tốc độ để suy ra cơ chế

1
Thủy phân hai dẫn xuất halogen trong nước ở cùng nhiệt độ, đo tốc độ ban đầu ở ba điều kiện nồng độ khác nhau (bảng dưới, đơn vị tốc độ tương đối). Xác định mỗi chất phản ứng theo cơ chế $SN1$ hay $SN2$ .

Chất A: $[RX]=0{,}1$ ; $[H_2O]$ dư không đổi $\Rightarrow v=1{,}0$ . Tăng $[RX]$ lên gấp đôi ( $0{,}2$ ) $\Rightarrow v=2{,}0$ . Thêm $NaOH$ $0{,}1M$ vào cùng $[RX]=0{,}1$ $\Rightarrow v$ vẫn xấp xỉ $1{,}0$ , gần như không đổi.

Chất B: $[RX]=0{,}1$ , $[OH^-]=0{,}1$ $\Rightarrow v=1{,}0$ . Tăng $[OH^-]$ lên gấp đôi (giữ $[RX]$ không đổi) $\Rightarrow v=2{,}0$ .
Thủy phân hai dẫn xuất halogen trong nước ở cùng nhiệt độ, đo tốc độ ban đầu ở ba điều kiện nồng độ khác nhau (bảng dưới, đơn vị tốc độ tương đối). Xác định mỗi chất phản ứng theo cơ chế $SN1$ hay $SN2$. Chất A: $[RX]=0{,}1$; $[H_2O]$ dư không đổi $\Rightarrow v=1{,}0$. Tăng $[RX]$ lên gấp đôi ($0{,}2$) $\Rightarrow v=2{,}0$. Thêm $NaOH$ $0{,}1M$ vào cùng $[RX]=0{,}1$ $\Rightarrow v$ vẫn xấp xỉ $1{,}0$, gần như không đổi. Chất B: $[RX]=0{,}1$, $[OH^-]=0{,}1$ $\Rightarrow v=1{,}0$. Tăng $[OH^-]$ lên gấp đôi (giữ $[RX]$ không đổi) $\Rightarrow v=2{,}0$.
2
Với chất A: tốc độ tỉ lệ thuận với $[RX]$ (gấp đôi $[RX]$ , tốc độ gấp đôi), nhưng gần như không đổi khi thêm nucleophin mạnh hơn. Với chất B: tốc độ tỉ lệ thuận với $[OH^-]$ khi giữ $[RX]$ cố định.
Với chất A: tốc độ tỉ lệ thuận với $[RX]$ (gấp đôi $[RX]$, tốc độ gấp đôi), nhưng gần như không đổi khi thêm nucleophin mạnh hơn. Với chất B: tốc độ tỉ lệ thuận với $[OH^-]$ khi giữ $[RX]$ cố định.
3
Chất A có $v$ chỉ phụ thuộc $[RX]$ , không phụ thuộc nucleophin — đúng dạng $v=k[RX]$ của $SN1$ . Chất B có $v$ phụ thuộc cả $[RX]$ và $[OH^-]$ — đúng dạng $v=k[RX][Nu^-]$ của $SN2$ .
Chất A có $v$ chỉ phụ thuộc $[RX]$, không phụ thuộc nucleophin — đúng dạng $v=k[RX]$ của $SN1$. Chất B có $v$ phụ thuộc cả $[RX]$ và $[OH^-]$ — đúng dạng $v=k[RX][Nu^-]$ của $SN2$.
4
Vậy chất A phản ứng theo cơ chế $SN1$ (khả năng cao là dẫn xuất bậc III, ổn định carbocation tốt), còn chất B phản ứng theo cơ chế $SN2$ (khả năng cao là dẫn xuất bậc I hoặc metyl). Đây chính là cách một đề HSG kiểm tra em có hiểu bản chất động học, chứ không chỉ thuộc lòng "bậc III thì SN1, bậc I thì SN2".
Vậy chất A phản ứng theo cơ chế $SN1$ (khả năng cao là dẫn xuất bậc III, ổn định carbocation tốt), còn chất B phản ứng theo cơ chế $SN2$ (khả năng cao là dẫn xuất bậc I hoặc metyl). Đây chính là cách một đề HSG kiểm tra em có hiểu bản chất động học, chứ không chỉ thuộc lòng "bậc III thì SN1, bậc I thì SN2".

Ví dụ

Ví dụ 2 — Chọn cơ chế khi thay đổi dung môi và nucleophin

1
2-brom-2-metylpropan ( $(CH_3)_3CBr$ ) được cho phản ứng trong hai điều kiện: (a) dung dịch $NaOH$ đặc, nucleophin mạnh; (b) chỉ có nước, nucleophin yếu (thủy phân). Dự đoán cơ chế và tốc độ tương đối ở mỗi điều kiện.
2-brom-2-metylpropan ($(CH_3)_3CBr$) được cho phản ứng trong hai điều kiện: (a) dung dịch $NaOH$ đặc, nucleophin mạnh; (b) chỉ có nước, nucleophin yếu (thủy phân). Dự đoán cơ chế và tốc độ tương đối ở mỗi điều kiện.
2
Carbon mang $Br$ là carbon bậc III (gắn với ba nhóm metyl). Với dẫn xuất bậc III, ba nhóm alkyl án ngữ gần như hoàn toàn lối tấn công phía sau, nên $SN2$ bị chặn bất kể nucleophin mạnh hay yếu.
Carbon mang $Br$ là carbon bậc III (gắn với ba nhóm metyl). Với dẫn xuất bậc III, ba nhóm alkyl án ngữ gần như hoàn toàn lối tấn công phía sau, nên $SN2$ bị chặn bất kể nucleophin mạnh hay yếu.
3
Vì carbocation bậc III đã đủ bền để hình thành mà không cần nucleophin hỗ trợ, cả hai điều kiện đều đi theo $SN1$ : bước quyết định tốc độ (ion hóa) không cần đến $NaOH$ hay $H_2O$ tham gia trực tiếp. Sự khác biệt giữa (a) và (b) chỉ nằm ở bước sau — nucleophin mạnh tấn công carbocation nhanh hơn, nhưng bước đó không quyết định tốc độ chung.
Vì carbocation bậc III đã đủ bền để hình thành mà không cần nucleophin hỗ trợ, cả hai điều kiện đều đi theo $SN1$: bước quyết định tốc độ (ion hóa) không cần đến $NaOH$ hay $H_2O$ tham gia trực tiếp. Sự khác biệt giữa (a) và (b) chỉ nằm ở bước sau — nucleophin mạnh tấn công carbocation nhanh hơn, nhưng bước đó không quyết định tốc độ chung.
4
Vậy cả (a) và (b) đều đi theo $SN1$ với tốc độ ion hóa gần như nhau, vì $v=k[RX]$ không phụ thuộc nucleophin. Đây là điểm học sinh hay nhầm: tưởng nucleophin mạnh hơn luôn làm phản ứng nhanh hơn — điều đó chỉ đúng cho $SN2$ .
Vậy cả (a) và (b) đều đi theo $SN1$ với tốc độ ion hóa gần như nhau, vì $v=k[RX]$ không phụ thuộc nucleophin. Đây là điểm học sinh hay nhầm: tưởng nucleophin mạnh hơn luôn làm phản ứng nhanh hơn — điều đó chỉ đúng cho $SN2$.

Bẫy thường gặp

Bẫy thường gặp: nghĩ rằng bậc carbon càng cao thì phản ứng thế luôn nhanh hơn, bất kể cơ chế nào. Thực ra bậc cao chỉ làm $SN1$ nhanh hơn (nhờ carbocation bền) trong khi làm $SN2$ chậm hẳn đi (nhóm cồng kềnh cản trở). Một bẫy khác: quên rằng $SN1$ đi qua carbocation phẳng nên sản phẩm có thể không giữ đúng cấu hình không gian ban đầu, khác với $SN2$ luôn đảo cấu hình một chiều.

Luyện phản xạ

Tóm tắt

Chốt lại: cơ chế nào ưu tiên phụ thuộc vào bậc carbon (án ngữ không gian và độ bền carbocation), không phải một quy tắc cố định cho mọi trường hợp — luôn kiểm tra cả hai yếu tố trước khi kết luận.

Bài tiếp theo giữ nguyên bộ dẫn xuất halogen này, nhưng đổi thuốc thử: khi dùng bazơ mạnh trong môi trường ancol thay vì nước, con đường thế bị một phản ứng khác cạnh tranh — phản ứng tách.