Giải Câu hỏi 3 trang 14 Chuyên đề Hoá học 12

Lời giải

Nhận xét ban đầu: Chloroethane $CH_3CH_2Cl$ là dẫn xuất halogen bậc I nên thủy phân theo cơ chế $S_N2$ (thế nucleophile lưỡng phân tử). 2-chloro-2-methylpropane $(CH_3)_3C-Cl$ là dẫn xuất halogen bậc III nên thủy phân theo cơ chế $S_N1$ (thế nucleophile đơn phân tử).

a) Thủy phân chloroethane (dẫn xuất bậc I) — cơ chế $S_N2$

Phương trình hoá học:

$$CH_3CH_2Cl + NaOH \xrightarrow{t^o} CH_3CH_2OH + NaCl$$

Cơ chế $S_N2$ (xảy ra qua một giai đoạn): tác nhân nucleophile $OH^-$ tấn công nguyên tử carbon mang liên kết $C-Cl$ từ phía đối diện với nguyên tử Cl. Liên kết $C-OH$ hình thành đồng thời với sự phân cắt liên kết $C-Cl$, đi qua một trạng thái chuyển tiếp trong đó carbon liên kết một phần với cả $OH$ và $Cl$:

$$HO^- + CH_3CH_2{-}Cl \longrightarrow \left[ HO\cdots CH_2(CH_3)\cdots Cl \right]^{\ne} \longrightarrow HO{-}CH_2CH_3 + Cl^-$$

Vì phản ứng qua một giai đoạn và trạng thái chuyển tiếp gồm cả hai tiểu phân ($OH^-$ và dẫn xuất halogen) nên tốc độ phụ thuộc vào nồng độ của cả hai: $v = k[CH_3CH_2Cl][OH^-]$ (bậc hai → gọi là $S_N2$).

b) Thủy phân 2-chloro-2-methylpropane (dẫn xuất bậc III) — cơ chế $S_N1$

Phương trình hoá học:

$$(CH_3)_3C{-}Cl + NaOH \xrightarrow{t^o} (CH_3)_3C{-}OH + NaCl$$

Cơ chế $S_N1$ (xảy ra qua hai giai đoạn):

- *Giai đoạn 1 (chậm, quyết định tốc độ):* liên kết $C-Cl$ phân cắt dị li tạo thành carbocation bậc III bền (do hiệu ứng đẩy electron của ba nhóm methyl) và anion $Cl^-$:

$$(CH_3)_3C{-}Cl \xrightarrow{\;chậm\;} (CH_3)_3C^+ + Cl^-$$

- *Giai đoạn 2 (nhanh):* tác nhân nucleophile $OH^-$ tấn công nhanh vào carbocation tạo thành sản phẩm alcohol:

$$(CH_3)_3C^+ + OH^- \xrightarrow{\;nhanh\;} (CH_3)_3C{-}OH$$

Giai đoạn chậm chỉ liên quan đến phân tử dẫn xuất halogen nên tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ dẫn xuất halogen: $v = k[(CH_3)_3CCl]$ (bậc một → gọi là $S_N1$).

Đáp số