Phản ứng hữu cơ — SN1, SN2, E1, E2 & phản ứng cộng

Cách dễ nhất để phân loại phản ứng hữu cơ là hỏi xem điều gì đã thay đổi. Nếu một nhóm trên carbon $sp^3$ bị thay thế, hãy nghĩ đến phản ứng thế. Nếu một liên kết pi mới được tạo thành, hãy nghĩ đến phản ứng tách. Nếu các nguyên tử được cộng vào qua liên kết $C=C$ hoặc $C\equiv C$ có sẵn, hãy nghĩ đến phản ứng cộng.

Với hầu hết các câu hỏi hữu cơ nhập môn, bước phân loại đầu tiên đó đã đủ để thu hẹp đáp án về SN1, SN2, E1, E2 hoặc phản ứng cộng. Sau đó hãy kiểm tra điều kiện: có nhóm rời hay không, carbon phản ứng là bậc một, bậc hai hay bậc ba, có mặt base mạnh hoặc nucleophile mạnh hay không, và việc hình thành carbocation có thực tế hay không.

Cách phân biệt nhanh SN1, SN2, E1, E2 và phản ứng cộng

Loại	Điều thay đổi	Thường được ưu tiên khi	Ý chính
SN1	nhóm rời bị thay thế	cơ chất có thể tạo carbocation tương đối bền	phản ứng thế hai bước
SN2	nhóm rời bị thay thế	cơ chất không quá cồng kềnh và nucleophile tốt có thể tấn công trực tiếp	phản ứng thế một bước
E1	tạo thành liên kết pi	có thể tạo carbocation và phản ứng tách cạnh tranh sau khi trung gian đó xuất hiện	phản ứng tách hai bước
E2	tạo thành liên kết pi	base mạnh lấy một hydrogen beta đồng thời nhóm rời rời đi	phản ứng tách một bước
Phản ứng cộng	các nguyên tử cộng vào qua liên kết pi	phân tử ban đầu đã có liên kết $C=C$ hoặc $C\equiv C$	liên kết pi trở thành các liên kết sigma mới

Bảng này là hướng dẫn, không phải quy luật tuyệt đối. Kết quả thực tế phụ thuộc vào cơ chất, thuốc thử, dung môi và đôi khi cả nhiệt độ.

Quy tắc quyết định nhanh thường khá hiệu quả

• Nếu phân tử ban đầu có nhóm rời trên carbon $sp^3$, sự cạnh tranh chính thường là giữa phản ứng thế và phản ứng tách.
• Nếu phân tử ban đầu đã có liên kết pi và nhóm rời không phải yếu tố trung tâm của bài toán, phản ứng cộng thường là dự đoán ban đầu hợp lý hơn.
• Nếu carbon phản ứng là bậc một, SN2 thường khả dĩ hơn SN1.
• Nếu carbon phản ứng là bậc ba, SN2 thông thường bị cản trở, nên sự cạnh tranh phổ biến là giữa SN1, E1 hoặc E2 tùy điều kiện.
• Nếu có mặt base mạnh và có hydrogen beta, E2 sẽ trở nên có khả năng cao hơn nhiều.

Mỗi loại phản ứng thực sự có nghĩa là gì

SN1

SN1 là viết tắt của substitution nucleophilic unimolecular. Bước chậm chỉ liên quan đến cơ chất vì nhóm rời rời đi trước và tạo thành carbocation.

Điều đó khiến SN1 hợp lý hơn khi carbocation tạo ra tương đối bền, đặc biệt với nhiều cơ chất bậc ba. Nếu sự chuyển vị làm carbocation bền hơn, sản phẩm có thể thay đổi.

SN2

SN2 là viết tắt của substitution nucleophilic bimolecular. Nucleophile tấn công đúng lúc nhóm rời rời đi, nên phản ứng diễn ra trong một bước.

Vì sự tấn công phải tiếp cận trực tiếp carbon phản ứng, mức độ cản trở không gian rất quan trọng. Cơ chất bậc một thường ưu tiên SN2 hơn nhiều so với cơ chất bậc ba, và cơ chất bậc ba không tham gia SN2 thông thường tại carbon cồng kềnh đó.

E1

E1 là viết tắt của elimination unimolecular. Giống SN1, phản ứng bắt đầu bằng việc mất nhóm rời để tạo carbocation. Sau đó một base lấy hydrogen beta và liên kết pi được hình thành.

Vì cả SN1 và E1 đều đi qua trung gian carbocation, chúng thường cạnh tranh trong những điều kiện tương tự. Nhiệt thường làm phản ứng tách trở nên quan trọng hơn, nhưng đó chỉ là xu hướng chứ không phải điều chắc chắn.

E2

E2 là viết tắt của elimination bimolecular. Trong một bước đồng thời, base lấy hydrogen beta trong khi nhóm rời rời đi và liên kết pi được tạo thành.

E2 thường gặp khi có mặt base mạnh và có hydrogen beta khả dụng. Với cơ chất bậc hai và bậc ba, base mạnh thường đẩy phản ứng theo hướng E2 thay vì phản ứng thế.

Phản ứng cộng

Phản ứng cộng thường bắt đầu từ alkene hoặc alkyne. Thay vì mất đi một nhóm, phân tử nhận thêm các nguyên tử mới qua liên kết pi.

Một ví dụ nhập môn quen thuộc là cộng $HBr$ vào alkene. Liên kết đôi bị phá vỡ, và các nguyên tử từ thuốc thử sẽ gắn vào hai carbon trước đó liên kết đôi với nhau.

Trực giác giúp bạn thật sự hiểu các phản ứng này

Cách nhanh nhất để hiểu các phản ứng này là hỏi xem về mặt cấu trúc, phân tử có thể làm được điều gì.

Nếu có nhóm rời trên một carbon no, phân tử có thể либо thay thế nhóm đó, либо lấy đi một hydrogen lân cận để tạo liên kết pi. Nếu đã có sẵn liên kết pi, phân tử có thể phản ứng bằng cách cộng vào qua liên kết đó. Chỉ một câu hỏi về cấu trúc như vậy đã tách được phần lớn bài tập cơ bản trước cả khi bạn nghĩ đến mũi tên cong.

Sau đó, hãy hỏi xem thuốc thử đang hành xử giống nucleophile hơn hay giống base hơn. Nucleophile mạnh thường hỗ trợ phản ứng thế. Base mạnh thường hỗ trợ phản ứng tách. Một số thuốc thử có thể làm cả hai, nên cơ chất và điều kiện sẽ quyết định con đường nào chiếm ưu thế.

Ví dụ giải mẫu: Vì sao 2-bromopropane thường cho E2

Xét phản ứng của $2$-bromopropane với sodium ethoxide, $\mathrm{NaOEt}$, trong ethanol.

Bắt đầu từ cơ chất. Carbon mang brom là carbon bậc hai, nên về nguyên tắc cả phản ứng thế lẫn phản ứng tách đều có thể xảy ra.

Bây giờ xét thuốc thử. Ethoxide là base mạnh và cũng là nucleophile tốt. Với một cơ chất bậc hai, chỉ riêng điều đó đã khiến E2 trở thành một ứng viên rất mạnh.

Tiếp theo, hãy hỏi E2 cần gì. Nó cần một nhóm rời và một hydrogen beta. Phân tử này có cả hai, nên phản ứng tách có thể xảy ra trong một bước.

Trong các điều kiện lớp học thông thường, E2 thường được dự đoán là con đường chính, đặc biệt nếu có đun nóng. Sản phẩm hữu cơ là propene vì base lấy một hydrogen beta trong khi bromide rời đi trong cùng một bước.

Vì sao ví dụ này quan trọng:

• cơ chất bậc hai nghĩa là có thể có cạnh tranh thực sự
• base mạnh làm phản ứng tách có khả năng xảy ra hơn
• sự tạo thành alkene cho thấy đây là phản ứng tách, không phải phản ứng thế

Nếu bạn thay đổi cơ chất hoặc thuốc thử, dự đoán có thể thay đổi. Một cơ chất bậc một ít cản trở hơn sẽ khiến SN2 cạnh tranh mạnh hơn nhiều.

Những lỗi thường gặp khi phân loại phản ứng hữu cơ

Xem base mạnh và nucleophile mạnh là một

Một số thuốc thử có thể đóng cả hai vai trò. Cơ chất cũng quan trọng không kém. Nucleophile mạnh với cơ chất bậc một thường gợi ý SN2, còn base mạnh với cơ chất bị cản trở hơn thường gợi ý E2.

Cho rằng bậc ba tự động là SN1

Cơ chất bậc ba không thể thực hiện SN2 thông thường, nhưng không có nghĩa là tự động đi theo SN1. Nếu có base mạnh, E2 thường là dự đoán tốt hơn.

Quên rằng SN1 và E1 cùng đi qua carbocation

Nếu carbocation được hình thành, sự chuyển vị có thể xảy ra, và phản ứng thế lẫn phản ứng tách có thể cạnh tranh. Đó là lý do hai cơ chế này thường được thảo luận cùng nhau.

Gọi mọi phản ứng của alkene là phản ứng cộng

Phản ứng cộng đòi hỏi các nguyên tử được cộng vào qua liên kết pi. Nếu phản ứng tạo ra liên kết đôi thay vào đó, thì đó là phản ứng tách.

Các loại phản ứng hữu cơ này được dùng ở đâu

Các loại phản ứng này là nền tảng của tổng hợp hữu cơ nhập môn và các bài tập cơ chế phản ứng. Chúng giúp bạn dự đoán:

• liệu một phân tử trở nên thế nhiều hơn hay không no hơn
• liệu thuốc thử có xu hướng thay thế nhóm rời hay lấy đi một hydrogen
• điều kiện phản ứng làm thay đổi sản phẩm chính như thế nào
• vì sao cùng một cơ chất có thể hành xử khác nhau với các thuốc thử khác nhau

Chúng cũng quan trọng ngoài phạm vi bài thi. Những ý tưởng này giúp các nhà hóa học lên kế hoạch chuyển từ một khung carbon sang một khung carbon khác.

Thử một bài phân loại tương tự

Hãy lấy một cơ chất có nhóm rời, chẳng hạn $1$-bromobutane, rồi hỏi dự đoán thay đổi thế nào khi ghép nó với sodium cyanide, sodium ethoxide hoặc nước. Chỉ thay đổi một điều kiện mỗi lần là một trong những cách nhanh nhất để SN1, SN2, E1 và E2 trở nên logic thay vì chỉ học thuộc. Nếu bạn muốn xem tiếp một chủ đề gần với bài này, hãy so sánh trang này với nucleophilic substitution.