Chuyên đề Hóa 12 Bài 2 (Chân trời sáng tạo): Một số cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ

Giải Chuyên đề Hóa 12 Bài 2: Một số cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ

Khởi động trang 10 Chuyên đề Hóa học 12: Hiểu rõ cơ chế phản ứng hoá học hữu cơ rất quan trọng cho việc nghiên cứu hoá học hữu cơ. Điều này dựa trên sự hiểu biết về chất phản ứng, tác nhân và điều kiện phản ứng. Làm sao để viết được cơ chế phản ứng của một số phản ứng hoá học hữu cơ phổ biến?

Lời giải:

Để viết được cơ chế phản ứng của một số phản ứng hoá học hữu cơ phổ biến phải:

- Nắm vững được các khái niệm: tác nhân electrophile, tác nhân nucleophile …

- Trình bày được một số cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ như: cơ chế thế gốc S_R (vào carbon no của alkane), cơ chế cộng electrophile A_E (vào liên kết đôi C=C của alkene), cơ chế thế electrophile S_EAr (vào nhân thơm), cơ chế thế nucleophile S_N1, S_N2 (phản ứng thuỷ phân dẫn xuất halogen), cơ chế cộng nucleophile A_N (vào hợp chất carbonyl)…

- Hiểu được sự tạo thành sản phẩm và hướng của một số phản ứng (cơ chế thế gốc S_R vào carbon no của alkane và cơ chế cộng electrophile A_E vào liên kết đôi C = C của alkene theo quy tắc cộng Markovnikov).

1. Tác nhân electrophile và nucleophile

Câu hỏi thảo luận 1 trang 10 Chuyên đề Hóa học 12: Phân biệt chất phản ứng và tác nhân phản ứng.

Lời giải:

Xét phản ứng hữu cơ tổng quát:

Chất phản ứng + Tác nhân phản ứng → Sản phẩm

Trong phản ứng hoá học hữu cơ, chất phức tạp hơn thường được gọi là chất phản ứng; chất hữu cơ đơn giản hơn hoặc chất vô cơ thường được gọi là tác nhân phản ứng.

Luyện tập trang 11 Chuyên đề Hóa học 12: Xác định tác nhân nucleophile hoặc electrophile trong các phản ứng sau:

Lời giải:

- Tác nhân electrophile là tác nhân có ái lực với electron, chúng thường là các tiểu phân mang điện tích dương (như $H^{+},B{r}^{+},N_{+}{O}_2,\mathrm{...}$) hoặc có trung tâm mang một phần điện tích dương (như $\stackrel{\delta +}{C}{H}_3-\stackrel{\delta -}{Br},\mathrm{...}$)

- Tác nhân nucleophile là tác nhân có ái lực với hạt nhân, chúng thường là các tiểu phân mang điện tích âm (như $C{l}^{-},H{O}^{-},C{N}^{-},\mathrm{...}$) hoặc có cặp electron hoá trị tự do (như H₂O, CH₃OH, …)

Như vậy:

- Trong phản ứng (1) H⁺ là tác nhân electrophile;

- Trong phản ứng (2) ⁻OH là tác nhân nucleophile.

2. Một số cơ chế phản ứng trong hoá học hữu cơ

Câu hỏi thảo luận 2 trang 11 Chuyên đề Hóa học 12: Xác định các gốc tự do tạo thành trong phản ứng của methane với chlorine.

Lời giải:

Xét phản ứng của methane với chlorine:

$C{H}_4+C{l}_2\stackrel{asmt}{\to }C{H}_{3}Cl+HCl$

Phản ứng trên xảy ra theo cơ chế thế gốc tự do (S_R) gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn khơi mào: $C{l}_2\stackrel{\mathrm{asmt}}{\to }2C$^•

Giai đoạn phát triển mạch:

Giai đoạn tắt mạch:

Vậy các gốc tự do tạo thành trong phản ứng của methane với chlorine là:

Câu hỏi thảo luận 3 trang 11 Chuyên đề Hóa học 12: Dự đoán các gốc tự do tạo thành khi cho propane tác dụng với bromine tạo thành dẫn xuất monobromo. So sánh độ bền của các gốc tự do này.

Lời giải:

* 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:

$Br-Br\stackrel{t^o}{\to }2B$^•

- Giai đoạn phát triển mạch phản ứng:

…..

- Giai đoạn tắt mạch phản ứng:

* Như vậy, các gốc tự do được tạo thành:

Độ bền của gốc tự do phụ thuộc vào bậc của nguyên tử carbon chứa electron độc thân.

Ta có độ bền của các gốc tự do này như sau:

Luyện tập trang 12 Chuyên đề Hóa học 12: Trình bày cơ chế phản ứng khi cho ethylene tác dụng với HBr, với H₂O (xúc tác H⁺).

Lời giải:

* Phản ứng khi cho ethylene tác dụng với HBr:

CH₂ = CH₂ + HBr → CH₃ – CH₂Br

Cơ chế phản ứng:

* Phản ứng khi cho ethylene tác dụng với H₂O (xúc tác H⁺):

CH₂=CH₂ + H₂O $\stackrel{H^{+}}{\to }$ CH₃-CH₂-OH

Cơ chế phản ứng:

- Quá trình proton hoá liên kết đôi C = C của ethylene tạo thành carbocation:

- Quá trình nước cộng hợp vào carbocation:

- Quá trình tách proton để tạo alcohol:

Câu hỏi thảo luận 4 trang 12 Chuyên đề Hóa học 12: Cho biết hướng tạo ra sản phẩm chính và hướng tạo ra sản phẩm phụ trong Ví dụ 6.

Lời giải:

Ví dụ 6: Cơ chế phản ứng cộng HCl vào 2 – methylpropene như sau:

Hướng tạo ra sản phẩm chính là hướng (1):

Do 2 – methylpropene là alkene bất đối xứng nên phản ứng cộng HCl vào alkene này sẽ ưu tiên theo hướng tạo thành carbocation bền hơn, ta lại có độ bền:

Câu hỏi thảo luận 5 trang 13 Chuyên đề Hóa học 12: Xác định tác nhân electrophile trong phản ứng của benzene và dung dịch HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc.

Lời giải:

Cơ chế phản ứng khi cho benzene tác dụng với HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc xảy ra như sau:

Luyện tập trang 13 Chuyên đề Hóa học 12: Trình bày cơ chế phản ứng khi cho benzene tác dụng với Br₂, xúc tác FeBr₃ tạo thành monobromobenzene. Tác nhân electrophile tạo thành từ sự kết hợp giữa Br₂ và FeBr₃ được biểu diễn như sau:

Br₂ + FeBr₃ → Br⁺ + [FeBr₄]⁻

Lời giải:

Cơ chế phản ứng xảy ra như sau:

- Quá trình hoạt hoá tác nhân Br₂ bằng FeBr₃:

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

- Quá trình tách proton để tạo thành sản phẩm:

Luyện tập trang 14 Chuyên đề Hóa học 12: Trình bày cơ chế của phản ứng thuỷ phân 1 – bromobutane bằng dung dịch NaOH.

Lời giải:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂Br + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃-CH₂-CH₂-CH₂OH + NaBr

1 – bromobutane là dẫn xuất halogen bậc một, phản ứng chủ yếu xảy ra theo cơ chế S_N2.

NaOH → Na⁺ + OH⁻

Câu hỏi thảo luận 6 trang 14 Chuyên đề Hóa học 12: Xác định tác nhân nucleophile trong phản ứng iodomethane tác dụng với dung dịch sodium hydroxide.

Lời giải:

Cho iodomethane tác dụng với sodium hydroxide phản ứng xảy ra theo cơ chế như sau:

Tác nhân nucleophile trong phản ứng là: HO⁻.

Câu hỏi thảo luận 7 trang 14 Chuyên đề Hóa học 12: Xác định tác nhân nucleophile trong phản ứng khi cho acetone tác dụng với hydrogen cyanide.

Lời giải:

Tác nhân nucleophile trong phản ứng khi cho acetone tác dụng với hydrogen cyanide là: $\stackrel{-}{C}N$.

Bài tập (trang 15)

Bài tập 1 trang 15 Chuyên đề Hóa học 12: Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra khi cho 2 – methylpropane tác dụng với bromine trong điều kiện chiếu sáng tạo thành sản phẩm 2 – bromo – 2 – methylpropane. Giải thích bằng cơ chế phản ứng.

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

Cơ chế phản ứng:

- Giai đoạn khơi mào:

- Giai đoạn phát triển mạch:

….

- Giai đoạn tắt mạch:

…

Bài tập 2 trang 15 Chuyên đề Hóa học 12: Trình bày cơ chế phản ứng cộng nước (xúc tác H⁺) vào 2 – methylpropene và xác định sản phẩm chính theo quy tắc Markovnikov.

Lời giải:

Phương trình hoá học:

Cơ chế phản ứng:

Bài tập 3 trang 15 Chuyên đề Hóa học 12: Benzaldehyde cyanohydrin có thể được tạo thành từ phản ứng hoá học giữa benzaldehyde và HCN. Viết phương trình hoá học và giải thích bằng cơ chế phản ứng.

Lời giải:

Phương trình hoá học:

Cơ chế phản ứng:

HCN $\rightleftharpoons$ H⁺ + ^-CN