Giải SGK Chuyên đề Hóa học 12 Bài 2. Cơ chế phản ứng

* Cơ chế phản ứng thế:

- Phản ứng halogen hoá alkane xảy ra theo cơ chế gốc (SR) gồm ba giai đoạn chính: giai đoạn khơi mào, giai đoạn phát triển mạch, giai đoạn tắt mạch.

- Phản ứng halogen hoá, nitro hoá benzene xảy ra theo cơ chế SEAr.

- Phản ứng thuỷ phân dẫn xuất halogen trong môi trường base có thể diễn ra theo cơ chế SN1 hoặc SN2, tuỳ thuộc vào bậc của dẫn xuất halogen.

* Yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành sản phẩm của phản ứng thế:

- Ảnh hưởng của tác nhân;

- Ảnh hưởng của cấu tạo: Ví dụ trong phản ứng thế gốc vào nguyên tử carbon no của alkane, nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử carbon bậc cao hơn sẽ dễ bị thế hơn do tạo gốc tự do bền hơn.

- Ảnh hưởng của dung môi …

* Phương trình hoá học:

$C{H}_{3}-C{H}_{2}-C{H}_{3}+B{r}_{2}\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }\langle \begin{matrix}C{H}_{3}-C{H}_{2}-C{H}_{2}Br \\ C{H}_{3}-CHBr-C{H}_{3}\end{matrix}+HBr$

* Cơ chế phản ứng: Phản ứng trên xảy ra theo cơ chế thế gốc (S$_{R}$), gồm ba giai đoạn chính như sau:

- Giai đoạn khơi mào phản ứng:

$Br-Br\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }2B{r}^{•}$

- Giai đoạn phát triển mạch phản ứng:

$C{H_3} - C{H_2} - C{H_2} - H + B{r^ \bullet } \to C{H_3} - C{H_2} - \mathop C\limits^ \bullet {H_2} + HBr$

$C{H_3} - C{H_2} - \mathop C\limits^ \bullet {H_2} + Br - Br \to C{H_3} - C{H_2} - C{H_2} - Br + B{r^ \bullet }$

$$\begin{array}{l}C{H_3} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3} + B{r^ \bullet } \to C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} + HBr\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,H\end{array}$$

$\begin{array}{l}C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} + Br - Br \to C{H_3} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3} + B{r^ \bullet }\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Br\end{array}$

…..

- Giai đoạn tắt mạch phản ứng:

$B{r^ \bullet } + {}^ \bullet Br \to Br - Br$

$C{H_3} - C{H_2} - \mathop C\limits^ \bullet {H_2} + B{r^ \bullet } \to C{H_3} - C{H_2} - C{H_2} - Br$

$\begin{array}{l}C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} + B{r^ \bullet } \to C{H_3} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3}\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Br\end{array}$

$C{H_3} - C{H_2} - \mathop C\limits^ \bullet {H_2} + \mathop C\limits^ \bullet {H_2} - C{H_2} - C{H_3} \to C{H_3} - C{H_2} - C{H_2} - C{H_2} - C{H_2} - C{H_3}$

$$\begin{array}{l}C{H_3} - C{H_2} - \mathop C\limits^ \bullet {H_2} + C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} \to C{H_3} - C{H_2} - C{H_2} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3}\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,C{H_3}\end{array}$$

$\begin{array}{l}C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} + C{H_3} - \mathop C\limits^ \bullet H - C{H_3} \to C{H_3} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3}\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,C{H_3}\,\,\,\,\,C{H_3}\end{array}$

* Dự đoán sản phẩm chính:

$$\begin{array}{l}C{H_3} - \mathop C\limits_{\left| {} \right.} H - C{H_3}\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Br\\2{\rm{ }}--{\rm{ }}bromopropane\end{array}$$

Do trong phản ứng thế gốc vào nguyên tử carbon no của alkane, nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử carbon bậc cao hơn sẽ dễ bị thế hơn do tạo gốc tự do bền hơn.

Cơ chế phản ứng xảy ra như sau:

- Quá trình tạo ra tác nhân electrophile $^{+}$NO$_{2}$.

- Quá trình tương tác giữa benzene và tác nhân electrophile.

- Quá trình tách proton để tạo thành sản phẩm:

* Phản ứng thuỷ phân chloroethane trong dung dịch NaOH:

- Phương trình hoá học:

$C{H_3} - C{H_2} - Cl + NaOH \to C{H_3} - C{H_2} - OH + NaCl$

- Cơ chế của phản ứng: chloroethane là dẫn xuất halogen bậc một do đó phản ứng thuỷ phân diễn ra theo cơ chế S$_{N}$2.

$NaOH \to N{a^ + } + {}^ - OH$

* Phản ứng thuỷ phân 2 – chloro – 2 – methylpropane trong dung dịch NaOH:

- Phương trình hoá học:

${(C{H}_{3})}_{3}C-Cl+NaOH\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }{(C{H}_{3})}_{3}C-OH+NaCl$

- Cơ chế của phản ứng: 2 – chloro – 2 – methylpropane là dẫn xuất halogen bậc ba, do đó phản ứng thuỷ phân chủ yếu diễn ra theo cơ chế S$_{N}$1.

$NaOH \to N{a^ + } + {}^ - OH$

*Ví dụ cơ chế phản ứng thế S$_{R}$ của alkane:

$C{H}_{4}+C{l}_{2}\overset{hν/{t}^{o}}{\rightarrow }C{H}_{3}Cl+HCl$

- Giai đoạn khơi mào phản ứng:

$Cl-Cl\overset{hν/{t}^{o}}{\rightarrow }2C{l}^{•}$

- Giai đoạn phát triển mạch phản ứng:

$C{H_3} - H + C{l^ \bullet } \to \mathop C\limits^ \bullet {H_3} + HCl$

$\mathop C\limits^ \bullet {H_3} + Cl - Cl \to C{H_3} - Cl + C{l^ \bullet }$

…

- Giai đoạn tắt mạch phản ứng:

$C{l^ \bullet } + C{l^ \bullet } \to Cl - Cl$

$\mathop C\limits^ \bullet {H_3} + \mathop {Cl}\limits^ \bullet \to C{H_3} - Cl$

$$\mathop C\limits^ \bullet {H_3} + \mathop C\limits^ \bullet {H_3} \to C{H_3} - C{H_3}$$

* Ví dụ cơ chế phản ứng thế S$_{E}$Ar của arene:

- Quá trình tạo ra tác nhân electrophile $^{+}$NO$_{2}$.

- Quá trình tương tác giữa benzene và tác nhân electrophile.

- Quá trình tách proton để tạo thành sản phẩm:

* Ví dụ cơ chế phản ứng thế S$_{N}$1, S$_{N}$2 của dẫn xuất halogen.

- Phản ứng thuỷ phân chloroethane trong dung dịch NaOH:

$C{H_3} - C{H_2} - Cl + NaOH \to C{H_3} - C{H_2} - OH + NaCl$

Chloroethane là dẫn xuất halogen bậc một do đó phản ứng thuỷ phân diễn ra theo cơ chế S$_{N}$2.

$NaOH \to N{a^ + } + {}^ - OH$

- Phản ứng thuỷ phân 2 – chloro – 2 – methylpropane trong dung dịch NaOH:

${(C{H}_{3})}_{3}C-Cl+NaOH\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }{(C{H}_{3})}_{3}C-OH+NaCl$

2 – chloro – 2 – methylpropane là dẫn xuất halogen bậc ba, do đó phản ứng thuỷ phân chủ yếu diễn ra theo cơ chế S$_{N}$1.

$NaOH \to N{a^ + } + {}^ - OH$