(hay gọi là phản ứng thế nucleophilic lưỡng phân tử) là phản ứng thế nucleophilic trong đó nucleophile tấn công trực tiếp vào nguyên tử carbon có nhóm thế X, đồng thời đẩy X ra khỏi phân tử.
Cơ chế phản ứng thế
Phản ứng xảy ra qua một giai đoạn
Nucleophile tấn công trực tiếp vào nguyên tử carbon có nhóm thế X.
Nhóm thế X bị đẩy ra khỏi phân tử.
Nhận xét: Cơ chế
diễn ra qua một giai đoạn duy nhất, gọi là cơ chế đồng bộ, không tạo ra các hợp chất trung gian và dẫn đến trạng thái chuyển lưỡng phân tử, quyết định tốc độ của phản ứng. Sơ đồ năng lượng của phản ứng
được mô tả như sau:
Đặc điểm
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào:
Nồng độ nucleophile
Nồng độ chất nền
Cấu trúc chất nền (khả năng cản trở steric)
Bản chất nucleophile
Dung môi
Phản ứng thường xảy ra với các chất nền có ít hoặc không có cản trở steric.
Phản ứng thường xảy ra trong dung môi phân cực aprotic.
Ứng dụng
Phản ứng thế được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
Hóa học hữu cơ
Hóa sinh
Dược phẩm
So sánh phản ứng thế
và
Đặc điểm
Phản ứng thế
Phản ứng thế
Cơ chế
Phân rã chậm của chất nền tạo cacbocation, sau đó nucleophile tấn công cacbocation
Nucleophile tấn công trực tiếp vào nguyên tử carbon có nhóm thế X
Tốc độ
Phụ thuộc vào nồng độ chất nền
Phụ thuộc vào nồng độ nucleophile
Cấu trúc chất nền
Thường xảy ra với các chất nền có cấu trúc bậc 3
Thường xảy ra với các chất nền có cấu trúc bậc 1
Dung môi
Thường xảy ra trong dung môi phân cực
Thường xảy ra trong dung môi phân cực aprotic
Ví dụ
Phản ứng solvolyse của tert-butyl chloride trong nước
Phản ứng của methyl iodide với hydroxide
Ứng Dụng của Phản Ứng Thế
Phản ứng thế là một loại phản ứng hóa học phổ biến với nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
Hóa học hữu cơ
Điều chế ancol: Phản ứng thế giữa halogenankan và dung dịch KOH/NaOH.
Điều chế ete: Phản ứng thế giữa halogenankan và ancolat natri/kali.
Điều chế amin: Phản ứng thế giữa halogenankan và amoniac.
Phản ứng cộng hợp: Phản ứng thế giữa anken và dung dịch HBr/HCl.
Hóa học vô cơ
Điều chế kim loại: Phản ứng thế giữa dung dịch muối kim loại và kim loại hoạt động hơn.
Điều chế axit: Phản ứng thế giữa oxit kim loại và dung dịch axit.
Điều chế muối: Phản ứng thế giữa dung dịch muối và kim loại hoặc dung dịch muối khác.
Phân tích hóa học
Xác định hàm lượng kim loại: Phản ứng thế giữa dung dịch muối kim loại và dung dịch chuẩn.
Xác định hàm lượng halogen: Phản ứng thế giữa halogenua và dung dịch AgNO3.
Công nghiệp
Sản xuất axit, bazơ, muối: Phản ứng thế được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất quan trọng trong công nghiệp.
Luyện kim: Phản ứng thế được sử dụng để loại bỏ tạp chất trong kim loại.
Sản xuất cao su tổng hợp: Phản ứng thế được sử dụng để tổng hợp các loại cao su.
Y học
Điều chế thuốc: Phản ứng thế được sử dụng để điều chế một số loại thuốc.
Chẩn đoán bệnh: Phản ứng thế được sử dụng trong một số xét nghiệm chẩn đoán bệnh.
Các dạng bài tập cơ bản trong phản ứng thế
Phương pháp giải bài tập thế halogen
Xác định loại phản ứng:
Phản ứng thế halogen của ankan thường xảy ra theo cơ chế gốc tự do.
Ánh sáng hoặc nhiệt độ là điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra.
Viết phương trình phản ứng:
Xác định các sản phẩm chính và phụ của phản ứng.
Viết phương trình phản ứng theo cơ chế gốc tự do.
Cân bằng phương trình phản ứng:
Cân bằng số nguyên tử của từng nguyên tố.
Giải bài tập:
Dựa vào yêu cầu của bài tập để giải.
Ví dụ: tính toán khối lượng, thể tích, số mol,…
Một số lưu ý:
Phản ứng thế halogen của ankan thường xảy ra theo tỉ lệ 1:1.
Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
Ánh sáng: Ánh sáng có cường độ cao sẽ đẩy nhanh tốc độ phản ứng.
Nhiệt độ: Nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh tốc độ phản ứng.
Loại halogen: Cl2 > Br2 > I2.
Cấu trúc ankan: Ankan bậc 1 > Ankan bậc 2 > Ankan bậc 3.
Ví dụ:
Bài tập: Cho 5,6 lít khí metan (CH4) tác dụng với khí clo dư theo tỉ lệ mol 1:1. Tính khối lượng sản phẩm chính thu được.
Giải:
Bước 1: Xác định loại phản ứng.
Phản ứng thế halogen của ankan.
Bước 2: Viết phương trình phản ứng.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Bước 3: Cân bằng phương trình phản ứng.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Bước 4: Giải bài tập.
nCH4 = 5,6 / 22,4 = 0,25 mol
nCH3Cl = nCH4 = 0,25 mol
mCH3Cl = 0,25 x 50,5 = 12,625 gam
Vậy khối lượng sản phẩm chính thu được là 12,625 gam.
Bài tập phản ứng thế hidro
Ví dụ 1: Cho 5,6 gam Fe tác dụng với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí H2 thu được (đktc).
Lời giải:
Bước 1: Viết phương trình phản ứng xảy ra.
Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2↑
Bước 2: Xác định chất phản ứng hết, chất dư (nếu có).