Bài học

Phản ứng tách hydrogen halide và so sánh với phản ứng thế

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình phản ứng tách HX của dẫn xuất halogen với KOH/ancol đun nóng để tạo alkene, dự đoán được sản phẩm chính khi có nhiều hướng tách khác nhau, và phân biệt được điều kiện dẫn tới phản ứng thế với điều kiện dẫn tới phản ứng tách trên cùng một dẫn xuất halogen.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em phản ứng thế của dẫn xuất halogen với NaOH trong nước, tạo alcohol. Bài này dùng đúng chất đầu và đúng loại ion $OH^-$ , chỉ đổi dung môi, để cho em thấy một phản ứng khác hẳn có thể xảy ra.

Bài trước đã cho em phản ứng thế của dẫn xuất halogen với NaOH trong nước, tạo alcohol. Bài này dùng đúng chất đầu và đúng loại ion $OH^-$, chỉ đổi dung môi, để cho em thấy một phản ứng khác hẳn có thể xảy ra.

Khởi động

Cùng là $CH_3CH_2Br$ và cùng dùng base $OH^-$ , nhưng nếu KOH tan trong nước thì tạo alcohol, còn nếu KOH tan trong ancol (ethanol) thì lại tạo ra một sản phẩm khác hẳn — không còn chứa nhóm –OH nữa. Vì sao chỉ đổi dung môi mà sản phẩm đổi hẳn loại hợp chất?

Cùng là $CH_3CH_2Br$ và cùng dùng base $OH^-$, nhưng nếu KOH tan trong nước thì tạo alcohol, còn nếu KOH tan trong ancol (ethanol) thì lại tạo ra một sản phẩm khác hẳn — không còn chứa nhóm –OH nữa. Vì sao chỉ đổi dung môi mà sản phẩm đổi hẳn loại hợp chất?

Kiến thức trọng tâm

Khi carbon mang X có H ở cả hai phía — như $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$ (2-chlorobutane) — phản ứng tách có hai hướng khả dĩ, tạo hai alkene đồng phân khác nhau. Mở rộng cùng lớp: SGK gọi hướng tách ưu tiên tạo alkene bền hơn — alkene có nhiều nhóm alkyl gắn vào carbon mang nối đôi hơn — là sản phẩm chính, theo quy tắc Zaitsev; hướng còn lại cho sản phẩm phụ, tỉ lệ ít hơn.

So sánh trực tiếp với bài trước: cùng một dẫn xuất halogen, cùng gốc base $OH^-$ , chỉ khác dung môi. NaOH trong nước, đun nóng → phản ứng thế nucleophin → sản phẩm alcohol. KOH trong ancol, đun nóng → phản ứng tách → sản phẩm alkene. Dung môi quyết định vai trò của $OH^-$ : nucleophile tấn công carbon (thế) hay base lấy H (tách). Khả năng phản ứng tách cũng tăng theo đúng thứ tự đã gặp ở phản ứng thế: liên kết C–I kém bền nhất nên tách nhanh nhất, liên kết C–F hầu như không tách được ở điều kiện thông thường.

Trong công nghiệp, phản ứng tách của dẫn xuất halogen ít được dùng để sản xuất alkene ở quy mô lớn — phương pháp phổ biến hơn là tách nước từ alcohol (dehydration), một phản ứng em sẽ gặp ở khoá học tiếp theo. Tuy nhiên phản ứng tách của dẫn xuất halogen vẫn quan trọng trong phòng thí nghiệm để tổng hợp một alkene có cấu trúc xác định từ dẫn xuất halogen tương ứng, đặc biệt khi cần kiểm soát chặt vị trí liên kết đôi.

Trong môi trường ancol, đun nóng dẫn xuất halogen với KOH gây ra phản ứng tách: base lấy đi một nguyên tử H trên carbon liền kề carbon mang X (carbon $\beta$), đồng thời X tách khỏi carbon mang nó (carbon $\alpha$), hình thành liên kết đôi C=C giữa hai carbon đó. Tổng quát: $R-CH_2-CH_2-X + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} R-CH{=}CH_2 + KX + H_2O$. Ví dụ đơn giản nhất: $CH_3CH_2Cl + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} CH_2{=}CH_2 + KCl + H_2O$. Khi carbon mang X có H ở cả hai phía — như $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$ (2-chlorobutane) — phản ứng tách có hai hướng khả dĩ, tạo hai alkene đồng phân khác nhau. Mở rộng cùng lớp: SGK gọi hướng tách ưu tiên tạo alkene bền hơn — alkene có nhiều nhóm alkyl gắn vào carbon mang nối đôi hơn — là sản phẩm chính, theo quy tắc Zaitsev; hướng còn lại cho sản phẩm phụ, tỉ lệ ít hơn. So sánh trực tiếp với bài trước: cùng một dẫn xuất halogen, cùng gốc base $OH^-$, chỉ khác dung môi. NaOH trong nước, đun nóng → phản ứng thế nucleophin → sản phẩm alcohol. KOH trong ancol, đun nóng → phản ứng tách → sản phẩm alkene. Dung môi quyết định vai trò của $OH^-$: nucleophile tấn công carbon (thế) hay base lấy H (tách). Khả năng phản ứng tách cũng tăng theo đúng thứ tự đã gặp ở phản ứng thế: liên kết C–I kém bền nhất nên tách nhanh nhất, liên kết C–F hầu như không tách được ở điều kiện thông thường. Trong công nghiệp, phản ứng tách của dẫn xuất halogen ít được dùng để sản xuất alkene ở quy mô lớn — phương pháp phổ biến hơn là tách nước từ alcohol (dehydration), một phản ứng em sẽ gặp ở khoá học tiếp theo. Tuy nhiên phản ứng tách của dẫn xuất halogen vẫn quan trọng trong phòng thí nghiệm để tổng hợp một alkene có cấu trúc xác định từ dẫn xuất halogen tương ứng, đặc biệt khi cần kiểm soát chặt vị trí liên kết đôi.

Ví dụ

Viết phương trình phản ứng tách của bromoethane

1
Đun nóng bromoethane với dung dịch KOH trong ethanol. Viết phương trình hoá học và cho biết loại phản ứng.
2
Trong môi trường ancol, ion $OH^-$ hoạt động chủ yếu như một base, lấy đi nguyên tử H trên carbon liền kề carbon mang Br (carbon $\beta$ ), đồng thời Br tách khỏi carbon mang nó (carbon $\alpha$ ), hình thành liên kết đôi C=C giữa hai carbon đó.
Trong môi trường ancol, ion $OH^-$ hoạt động chủ yếu như một base, lấy đi nguyên tử H trên carbon liền kề carbon mang Br (carbon $\beta$), đồng thời Br tách khỏi carbon mang nó (carbon $\alpha$), hình thành liên kết đôi C=C giữa hai carbon đó.
3
$CH_3CH_2Br + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} CH_2{=}CH_2 + KBr + H_2O$
$CH_3CH_2Br + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} CH_2{=}CH_2 + KBr + H_2O$
4
Vậy phản ứng tạo alkene ( $CH_2{=}CH_2$ ) và giải phóng đồng thời $KBr$ và $H_2O$ — đây là phản ứng tách, khác hẳn phản ứng thế ở bài trước cả về cơ chế lẫn sản phẩm hữu cơ.
Vậy phản ứng tạo alkene ($CH_2{=}CH_2$) và giải phóng đồng thời $KBr$ và $H_2O$ — đây là phản ứng tách, khác hẳn phản ứng thế ở bài trước cả về cơ chế lẫn sản phẩm hữu cơ.

Ví dụ

Dự đoán sản phẩm chính khi tách HX từ 2-chlorobutane (mở rộng cùng lớp)

1
Đun 2-chlorobutane ( $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$ ) với KOH trong ethanol. Phản ứng có thể tạo ra hai alkene đồng phân. Xác định hai sản phẩm đó và cho biết sản phẩm nào là sản phẩm chính.
Đun 2-chlorobutane ($CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$) với KOH trong ethanol. Phản ứng có thể tạo ra hai alkene đồng phân. Xác định hai sản phẩm đó và cho biết sản phẩm nào là sản phẩm chính.
2
Mở rộng cùng lớp: carbon mang Cl (carbon số 2) có hai carbon bên cạnh còn H để tách (carbon 1 và carbon 3), nên phản ứng tách có hai hướng khả dĩ — khác với ethyl bromide ở ví dụ trước chỉ có một hướng duy nhất.
3
Tách H từ carbon 1 cho $CH_2{=}CH-CH_2-CH_3$ (but-1-ene); tách H từ carbon 3 cho $CH_3-CH{=}CH-CH_3$ (but-2-ene).
Tách H từ carbon 1 cho $CH_2{=}CH-CH_2-CH_3$ (but-1-ene); tách H từ carbon 3 cho $CH_3-CH{=}CH-CH_3$ (but-2-ene).
4
Theo quy tắc Zaitsev, hướng tách ưu tiên tạo alkene bền hơn — alkene có nhiều nhóm alkyl gắn vào carbon mang nối đôi hơn. But-2-ene có hai nhóm methyl gắn hai bên nối đôi nên bền hơn, là sản phẩm chính; but-1-ene là sản phẩm phụ.
5
Vậy phản ứng tách từ 2-chlorobutane cho hỗn hợp but-1-ene (phụ) và but-2-ene (chính), với but-2-ene chiếm tỉ lệ lớn hơn do bền hơn về mặt nhiệt động.

Ví dụ

So sánh trực tiếp phản ứng thế và phản ứng tách trên cùng một chất

1
Cho cùng một lượng bromoethane, chia làm hai phần. Phần 1 đun với dung dịch NaOH trong nước; phần 2 đun với dung dịch KOH trong ethanol. Viết hai phương trình phản ứng và chỉ ra điểm khác biệt về sản phẩm.
2
$CH_3CH_2Br + NaOH \xrightarrow[nước]{t^\circ} CH_3CH_2OH + NaBr$ — phản ứng thế, sản phẩm hữu cơ vẫn còn nguyên số carbon, có thêm nhóm –OH.
$CH_3CH_2Br + NaOH \xrightarrow[nước]{t^\circ} CH_3CH_2OH + NaBr$ — phản ứng thế, sản phẩm hữu cơ vẫn còn nguyên số carbon, có thêm nhóm –OH.
3
$CH_3CH_2Br + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} CH_2{=}CH_2 + KBr + H_2O$ — phản ứng tách, sản phẩm hữu cơ mất một phân tử HBr tương đương, hình thành liên kết đôi C=C, không còn nhóm –OH.
$CH_3CH_2Br + KOH \xrightarrow[ancol]{t^\circ} CH_2{=}CH_2 + KBr + H_2O$ — phản ứng tách, sản phẩm hữu cơ mất một phân tử HBr tương đương, hình thành liên kết đôi C=C, không còn nhóm –OH.
4
Vậy cùng một chất đầu ( $CH_3CH_2Br$ ) và cùng gốc base ( $OH^-$ ), chỉ cần đổi dung môi từ nước sang ancol là đủ chuyển hẳn từ phản ứng thế sang phản ứng tách — dung môi quyết định vai trò của $OH^-$ là nucleophile (thế) hay base (tách).
Vậy cùng một chất đầu ($CH_3CH_2Br$) và cùng gốc base ($OH^-$), chỉ cần đổi dung môi từ nước sang ancol là đủ chuyển hẳn từ phản ứng thế sang phản ứng tách — dung môi quyết định vai trò của $OH^-$ là nucleophile (thế) hay base (tách).

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất ở bài này là nhầm điều kiện: viết 'NaOH, ancol' hoặc 'KOH, nước' rồi áp nhầm sản phẩm của phản ứng kia. Hãy nhớ chắc hai cặp điều kiện: dung dịch NaOH trong NƯỚC, đun nóng, cho phản ứng thế tạo alcohol; dung dịch KOH trong ANCOL, đun nóng, cho phản ứng tách tạo alkene. Một sai lầm khác khi làm bài mở rộng: quên xét cả hai hướng tách có thể có khi carbon mang X có H ở cả hai phía.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phản ứng THẾ: NaOH/nước, đun nóng → alcohol. Phản ứng TÁCH: KOH/ancol, đun nóng → alkene, theo quy tắc Zaitsev khi có nhiều hướng tách (mở rộng cùng lớp). Cùng chất đầu, cùng ion $OH^-$ , chỉ dung môi quyết định phản ứng nào xảy ra.

Phản ứng THẾ: NaOH/nước, đun nóng → alcohol. Phản ứng TÁCH: KOH/ancol, đun nóng → alkene, theo quy tắc Zaitsev khi có nhiều hướng tách (mở rộng cùng lớp). Cùng chất đầu, cùng ion $OH^-$, chỉ dung môi quyết định phản ứng nào xảy ra.

Chương này khép lại phần phản ứng của dẫn xuất halogen. Bài cuối cùng của khoá học ôn lại toàn bộ arene và dẫn xuất halogen trong một bộ câu hỏi tổng hợp, đúng dạng đề kiểm tra thật.