Phản ứng Sandmeyer: diazo hóa, cơ chế gốc tự do và câu hỏi ôn thi
Trả lời ngắn: Trước tiên aniline được chuyển thành benzenediazonium chloride bằng NaNO2 và HCl ở 0–5 °C. Đun ấm với CuCl, CuBr hoặc CuCN sẽ thay N2 bằng Cl, Br hoặc CN. Đồng(I) nhường một electron cho ion diazonium, N2 thoát ra dạng khí tạo gốc aryl, và gốc này lấy halogen từ đồng(II).
Phản ứng Sandmeyer và diazo hóa là gì?
Phản ứng Sandmeyer là cách hữu ích nhất để gắn Cl, Br hoặc CN vào một vị trí xác định trên vòng benzene. Vì nhóm amino có thể được đặt vào trước rồi mới bị thay thế, phản ứng cho những kiểu thế mà halogen hóa trực tiếp không làm được.
MolDraw có hai mẫu: diazo hóa (tám bước, từ nitrous acid đến ion diazonium) và chính bước Sandmeyer với mũi tên lưỡi câu cho phần hóa học gốc tự do.
Tóm tắt phản ứng
| Bước 1 (diazo hóa) | ArNH2 + NaNO2 + HCl, 0–5 °C → ArN2+Cl− |
|---|---|
| Bước 2 (Sandmeyer) | CuCl/HCl → ArCl; CuBr/HBr → ArBr; CuCN/KCN → ArCN |
| Trung cấp | Gốc aryl (sau khi mất N2) |
| Đồng | Cu(I) → Cu(II) → Cu(I): được tái tạo |
| Liên quan | Gattermann (bột Cu), KI (ArI), Balz–Schiemann (ArF) |
Cơ chế từng bước
- Ion nitrosonium. NaNO2 + HCl tạo HNO2. Proton hóa và mất nước tạo electrophile N≡O+.
- N-Nitroso hóa. Nitrogen của amine tấn công NO+; mất một proton tạo N-nitrosamine Ar–NH–N=O.
- Hỗ biến. Proton hóa trên oxygen và mất proton N–H biến nó thành diazohydroxide Ar–N=N–OH.
- Ion diazonium. Nhóm OH bị proton hóa và tách ra dưới dạng nước, cho Ar–N+≡N. Giữ ở 0–5 °C, nó đủ bền để sử dụng.
- Chuyển electron (Sandmeyer). Đồng(I) (dạng CuCl2−) nhường một electron cho ion diazonium. N2 tách ra và gốc aryl hình thành; đồng chuyển thành Cu(II).
- Chuyển halogen. Gốc aryl lấy Cl từ CuCl2, tạo chlorobenzene và tái tạo đồng(I).
Mọi bước trong mẫu đều được kiểm tra theo từng electron: các mũi tên cong cho đúng những cấu trúc đã vẽ. Mở trong MolDraw để theo dõi mũi tên từng bước một.
Ví dụ có lời giải
- Aniline → chlorobenzene. NaNO2/HCl, 0–5 °C, sau đó CuCl/HCl.
- Aniline → benzonitrile → benzoic acid. CuCN/KCN cho PhCN; thủy phân cho benzoic acid. Cách này gắn thêm một carbon vào vòng.
- Aniline → iodobenzene. Chỉ cần KI — không cần đồng.
- Aniline → fluorobenzene. Balz–Schiemann: HBF4 tạo ArN2+BF4−, chất này mất N2 và BF3 khi đun nóng.
- Aniline → benzene. H3PO2 thay N2+ bằng H (hữu ích để loại bỏ nhóm NH2 từng dùng làm nhóm định hướng).
Câu hỏi luyện thi
Câu 1. Benzenediazonium chloride + CuCN, sau đó thủy phân, cho:
Xem đáp án
Benzoic acid — CuCN cho benzonitrile; thủy phân chuyển CN thành COOH.
Câu 2. Chuyển hóa nào không cần muối đồng?
Xem đáp án
ArN2+ → ArI — Iodide là chất khử và nucleophile đủ mạnh: chỉ cần KI.
Câu 3. Cách tốt nhất để điều chế fluorobenzene từ aniline là:
Xem đáp án
Diazo hóa, sau đó HBF4 và đun nóng (Balz–Schiemann) — CuF không hoạt động trong phản ứng Sandmeyer.
Câu 4. Vì sao diazo hóa được thực hiện ở 0–5 °C?
Xem đáp án
Muối diazonium bị phân hủy khi đun ấm (thành phenol + N2). — Muối aryl diazonium chỉ bền khi lạnh.
Câu 5. Phản ứng Sandmeyer so với Gattermann:
Xem đáp án
Sandmeyer dùng muối Cu(I); Gattermann dùng bột đồng với HX. — Cả hai đều cho ArCl/ArBr; Gattermann thường cho hiệu suất thấp hơn.
Lỗi thường gặp
- Viết cơ chế SN1 qua cation aryl — phản ứng Sandmeyer đi qua gốc aryl.
- Dùng CuF hoặc CuI: fluoride dùng HBF4 và iodide dùng KI.
- Tiến hành diazo hóa ở nhiệt độ phòng.
- Quên rằng đồng(I) được tái tạo (về nguyên tắc là xúc tác).
Chỉnh sửa cơ chế này trong MolDraw
- Nhấp Open in MolDraw. Trình soạn thảo mở với toàn bộ hình trên canvas: phản ứng tổng quát, từng bước được đánh số và các điểm chính.
- Mọi thứ đều là cấu trúc thông thường. Đổi nhóm thế, tô lại màu nguyên tử hoặc di chuyển mũi tên, và mũi tên vẫn gắn với nguyên tử của chúng.
- Tải xuống dạng PNG, SVG hoặc PDF, hoặc sao chép vào ghi chú hay slide của bạn.
- Hình tương tự có trong trình soạn thảo tại Templates → Schemes → Name reactions.
Hỏi và đáp
Vai trò của đồng trong phản ứng Sandmeyer là gì?
Đồng(I) chuyển một electron cho ion diazonium; sau khi N₂ tách ra, gốc aryl lấy halogen từ đồng(II), và đồng(I) được tái tạo.
Bằng chứng nào cho cơ chế gốc tự do?
Sản phẩm phụ biaryl (Ar–Ar) hình thành khi hai gốc aryl kết hợp với nhau.
Có thể dùng amine béo không?
Không. Ion diazonium béo mất N₂ ngay lập tức và tạo alcohol cùng alkene.