CÁC HIỆU ỨNG CẤU TRÚC TRONG PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠ
Sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn – hiệu ứng cảm (Inductive effect)
Trên nguyên tắc, các nhị liên hóa trị tạo nên do sự góp chung điện tử , thuộc về cả 2
nguyên tử nối. Tuy nhiên, vân đạo phân tử do các vân đạo nguyên tử tạo nên thường bị biến
dạng. Sự kiện nầy được giải thích bởi sự phân phối không đồng đều của các điện tử trong
phân tử . Nếu sự phân phối nầy liên hệ đến các điện tử của nối
σ
, người ta có hiệu ứng
cảm.
1.1. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn
Xét trường hợp của các nối cộng hóa trị đơn H - H ; Cl - Cl trong các phân tử đơn chất
hydrogen và clor. Đôi điện tử góp chung (nhị liên hóa trị) của 2 nguyên tử bị hút đồng đều
bởi 2 nhân nguyên tử giống nhau nên được xem như cách đều 2 nhân nầy, tạo nối đồng cực.
Với trường hợp các phân tử hợp chất có nối cộng hóa trị đơn giữa 2 nguyên tử khác nhau,
đôi điện tử góp chung thường bị hút hay bị đẩy về một phía do sự khác biệt về độ âm điện
của 2 nguyên tử. Mật độ điện tích giữa 2 nguyên tử không đồng đều. Vân đạo phân tử bị
kéo lệch về một phía. Hiện tượng nầy gọi là sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn.
Phân tử hợp chất bị phân cực trở thành một lưỡng cực điện thường trực: cực âm ở
nguyên tử có độ âm điện lớn, cực dương ở nguyên tử có độ âm điện nhỏ. Các lượng điện
tích phân phối tại 2 cực thường được biểu diễn bởi chữ
δ
gọi là phân số điện tích (
δ
< 1).
Thí dụ:

1.2. Khái niệm về hiệu ứng cảm
Sự bất đối xứng về phương diện điện tích trên nối đơn giữa 2 nguyên tử còn ảnh hưởng đến
các nối đơn kế cận trong phân tử. Nói cách khác, nguyên tử có độ âm điện lớn không
những chỉ có ảnh hưởng đến các nguyên tử nối trực tiếp với nó mà còn ảnh hưởng đến
các nguyên tử xa hơn.

3
. Các nhóm trung hòa có nguyên tử độ âm điện lớn: có hiệu ứng -I yếu hơn, do âm
điện yếu hơn của các nguyên tử nitrogen, oxygen, lưu huỳnh, phosphor
a
4
. Các nhóm trung hòa có nối lưỡng cực như
đều có hiệu ứng -I mạnh, nhưng yếu hơn hiệu ứng của nhóm ammonium đệ tứ, vì điện
tích dương của nguyên tử nitrogen và lưu huỳnh được đền bù một phần bởi điện tích âm
của nguyên tử oxigen gần kề
a
5
. Độ âm điện của carbon tạp chủng sp lớn hơn carbon tạp chủng sp
2
, nên ta có:
b. Các nhóm gây ra hiệu ứng cảm dương (+I)
b
1
. Các nhóm alkyl có hiệu ứng cảm + I yếu, gia tăng theo thứ tự sau đây:
b
2
. Các nhóm có nguyên tử mang điện tích âm như oxid, sulfur cho điện tử tương đối dễ
dàng: như vậy, gây hiệu ứng + I mạnh. Vì S
-
có kích thước lớn hơn O
-
, điện tử ít bị nhân
hút hơn, nên dễ nhường hơn.
1.6. Bảng xếp hạng một số nhóm gây ra hiệu ứng cảm (Xem bảng 1.1)
* NGUYÊN TẮC
a. Hiệu ứng cảm - I gia tăng với đô âm điện của nguyên tử đơn độc, hoặc thuộc một

COOH ?
Giải thích: Nhóm Cl - CH
2
hút điện tử (gây hiệu ứng - I) làm gia tăng sự phân cực của
liên kết O- H, H càng linh động, làm acid monocloroacetic có độ mạnh tăng lên so với
acid formic. Mặt khác, nhóm ¾ CH
3
đẩy điện tử (gây hiệu ứng +I) làm giảm sự phân cực
của liên kết O ¾ H, H càng khó bức rời, làm acid acetic có độ mạnh giảm so với acid
formic. Vậy ta có tính acid giảm theo thứ tự sau:
@2. Tính acid giảm theo thứ tự sau:
Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với các giá trị thực nghiệm như sau:
BẢNG TRỊ SỐ pKa CỦA MỘT SỐ ACID CARBOXYLIC
TÊN THÔNG THƯỜNG CÔNG THỨC CẤU TẠO pKa
Acid formic HCOOH 3,75
Acid acetic CH
3
COOH 4,75
Acid monocloroacetic ClCH
2
COOH 2,81
Acid butanoic CH
3
CH
2
CH
2
COOH 4,82
Acid a-clorobutanoic CH
3

trường hợp nầy, sự phân phối điện tử khác hẳn sự phân phối trong các cơ cấu có nối hóa
trị thông thường (cơ cấu Lewis), và không một cơ cấu nối cộng hóa trị riêng biệt nào
thích hợp với tất cả tính chất của phân tử. Một số lý tính và hóa tính của các chất nầy
được giải thích thỏa đáng bởi sự lai hoá của nhiều cấu tạo Lewis, gọi là các công thức
cộng hưởng, chúng khác nhau ở vị trí của các điện tử.

2.1. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đôi
Xét nối cộng hóa trị đôi C=O trong phân tử formaldehid.
Nguyên tử oxigen có độ âm điện lớn hơn nguyên tử carbon
nên hút 2 điện tử của liên kết p về phía nó. Ta nói liên kết đôi bị phân cực.
Ta đã biết một nối cộng hóa trị đôi gồm: một nối s bền và một nối p kém bền. Các điện tử
của nối p linh động hơn. Do đó, sự phân cực của nối đôi dễ thực hiện hơn sự phân cực
của nối đơn.
2.2. Sự phân cực của nối cộng hóa trị ba
Hiện tượng phân cực nói trên cũng xảy ra dễ dàng với nối tam vì trong nối nầy ta có: một
nối σ (hay s) và 2 nối π (hay p)
Một cách tổng quát, khi có một nối đa giữa 2 nguyên tử có độ âm điện khác nhau, các
điện tử p bị hút về phía nguyên tử có độ âm điện lớn, gây nên sự phân cực của nối.
CHÚ THÍCH
1. Nối s trong nối đôi cũng bị phân cực khi 2 nguyên tử nối với nhau có độ âm
điện khác nhau. Tuy nhiên, vì các điện tử p linh động hơn điện tử s, sự di chuyển của
điện tử p gây nên sự phân cực quan trọng hơn.
Trong hóa học của carbon, điện tử của nối p là do các điện tử p tạo thành. Tính
linh động của điện tử p ,thực ra là của điện tử p, là do cách phủ bên của vân đạo p với
nhau tạo thành nối p
Khi có điều kiện thích hợp các điện tử p của những nhị liên cô lập cũng có thể bị hút
và di chuyển trong phân tử .
2. Trong trường hợp có liên kết p giữa 2 nguyên tử giống nhau ta vẫn có hiệu ứng
cộng hưởng do 2 nguyên nhân:
a. Sự linh động của điện tử p. Sự phân cực có thể xảy ra theo 2 chiều trong phân tử.

dùng 2 mũi tên đặt song song và ngược chiều nhau, để chỉ một phản ứng hóa học thuận
nghịch.
4. Theo thuyết vân đạo, hiện tượng nầy là do sự bất định xứ của các điện tử trong
vân đạo phân tử p và vân đạo nguyên tử p. Các điện tử (nguyên thủy) trong các vân
đạo trên có thể che phủ với nhau, tạo thành vân đạo phân tử lan rộng trên phân tử,
trong đó các điện tử di chuyển.
2.4. Đặc tính
a. Hiệu ứng cộng hưởng chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của nối p
Thí dụ:
b. Hiệu ứng cộng hưởng có thể truyền trong phân tử khi có
b
1
. Nối đa tiếp cách (cộng hưởng p - p)
Ta có nối đa tiếp cách khi nối đa nầy cách với nối đa kia bởi một nối đơn s
b
2
. Nối đa tiếp cách với nguyên tử có nhị liên p cô lập (cộng hưởng p-p)
Điện tử cô lập, còn được gọi là điện tử tự do hoặc điện tử không nối (nonbonding
electron)
Điện tử p cô lập: là điện tử của nhị liên thuộc phụ tầng p chưa tham dự vào nối nào.
Ta có nối đa và nhị liên cô lập p tiếp cách khi chúng cách nhau bởi một nối đơn s.
b
3
. Nối đa tiếp cách với nguyên tử có vân đạo p trống (cộng hưởng p - p)
¨ Vân đạo p trống: là vân đạo p không có điện tử
2.5. Quy tắc viết công thức cộng hưởng
a. Trong hiện tượng cộng hưởng, chỉ có sự di chuyển của các điện tử p và điện tử p cô
lập, không có sự di chuyển của các nguyên tử.
(III) không phải là công thức cộng hưởng của aceton.
b. Trong cách viết công thức cộng hưởng phải chú trọng đến cơ cấu điện tử ngoại biên của

h. Không phải tất cả các dạng cộng hưởng đều đóng góp như nhau cho cấu trúc thật sự
của phân tử: dạng nào bền nhất thì đóng góp nhiều nhất. Các dạng cộng hưởng không có
sự phân ly điện tích, với số liên kết cộng hóa trị nhiều nhất, và có 8 điện tử xung quanh mỗi
nguyên tử (ngoại trừ hydrogen và các nguyên tử ở chu kỳ ba như: lưu huỳnh, phosphor), các
dạng cộng hưởng nầy rất quan trọng và đó chính là những dạng đóng góp chánh (major
contributors). Những dạng có số liên kết cộng hóa trị ít hơn và có sự phân ly điện tích thì ít
ảnh hưởng đến tính chất của phân tử hơn, ta gọi đó là những dạng đóng góp phụ (minor
contributors).
Tóm lại: Cơ cấu cộng hưởng càng bền, đóng góp càng nhiều cho cơ cấu
thật sự của phân tử :ta gọi đó là dạng đóng góp chánh, và ngược lại.
Nguyên tử carbon của hai dạng (I) và (II) đều có một liên kết đôi với một nguyên tử
oxigen và một liên kết đơn với nguyên tử oxigen còn lại. Mỗi nguyên tử (ngoại trừ
hydrogen) có 8 điện tử xung quanh. Cơ cấu của dạng (III) thì khác hẳn. Nguyên tử carbon
chỉ có 6 điện tử ở tầng ngoại biên và mang điện tích dương. Không có liên kết đôi, và cả 2
nguyên tử oxigen đều mang điện tích âm. Dạng thứ (III) nầy có năng lượng cao hơn và kém
bền hơn 2 dạng (I) và (II), bởi vì nó có ít liên kết hơn và có sự phân ly điện tích. Sự phân ly
điện tích: một nguyên tử mang điện tích dương trong khi một nguyên tử mang điện tích âm,
có thể đạt được chỉ thông qua sự tiêu thụ năng lượng. Do đó, 2 công thức cộng hưởng (I) và
(II) là 2 dạng đóng góp chánh, (III) là dạng đóng góp phụ.
2.6. Bảng phân loại các nguyên tử hay nhóm nguyên tử gây hiệu ứng cộng hưởng
Hiệu ứng cộng hưởng tương đối của các nhóm thông thường được ghi trong bảng 1.1.
Đồng thời, một nguyên tử hay nhóm nguyên tử có thể vừa gây hiệu ứng cộng hưởng (R) vừa
gây hiệu ứng cảm (I) (Xem bảng 1.2)
Bảng 1.1. HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG CỦA VÀI NHÓM THÔNG THƯỜNG
HIỆU ỨNG - R HIỆU ỨNG +R
HIỆU ỨNG - R HIỆU ỨNG +R

Bảng 1.2. HIỆU ỨNG CẢM VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG CỦA VÀI NHÓM
THÔNG THƯỜNG
NGUYÊN TỬ HAY NHÓM NGUYÊN TỬ R I

Trong phân tử etanol, nhóm etil gây hiệu ứng + I, đẩy điện
tử về nhóm -OH, làm giảm sự phân cực của liên kết giữa O và H.
Trong phân tử phenol, do hiệu ứng cộng hưởng p - p , đôi điện tử p tự do của oxigen di
chuyển về phía nhân benzen: làm nhân benzen càng dồi dào điện tử đặc biệt ở các vị trí orto
và para, O trở nên thiếu điện tử, càng có khuynh hướng kéo đôi điện tử góp chung với H về
phía nó, làm tăng sự phân cực của liên kết O-H. Do đó, phenol có tính acid mạnh hơn
etanol.
Thí dụ @2. So sánh tính acid của p-nitrophenol và m-nitrophenol, người ta nhận thấy p-
nitrophenol (pKa = 7,15) có tính acid mạnh hơn m-nitrophenol.
GIẢI THÍCH
Cả 2 acid đều có nhóm -NO
2
gây ra hiệu ứng -R và -I, có tác dụng rút điện tử mạnh. Tuy
nhiên, với phân tử p-nitrophenol, hiệu ứng cộng hưởng lan rộng đến nguyên tử O của nhóm
-OH, mật độ điện tử trên O giảm: càng làm nhị liên hóa trị giữa O và H bị kéo về phía O, H
dễ tách rời dưới dạng H
+
.
Trái lại, trong phân tử m-nitrophenol, hiệu ứng cộng hưởng âm do nhóm -NO
2
gây ra
chỉ liên hệ đến nhân benzen và không truyền tới nhóm -OH. Do đó, liên kết O-H khó đứt
hơn và m-nitrophenol có tính acid yếu hơn p-nitrophenol.
b. Giải thích độ mạnh của các baz hữu cơ
Tương tự như trường hợp các acid, baz càng mạnh khi hằng số K
b
càng lớn (hay pK
b
càng
nhỏ)