Hiệu ứng cảm ứng trong hóa học hữu cơ là gì?

1. Bản chất và đặc điểm

Hãy xét thí dụ về ảnh hưởng của nguyên tử clo đến lực axit trong dãy sau:

Nguyên tử clo làm tăng lực axit của axit butanoic, khi nguyên tử clo càng ở gần nhóm Carboxyl (-COOH) lực axit càng tăng. Nguyên nhân là do sự phân cực liên kết C - Cl không chỉ cố định ở liên kết đó mà lan truyền theo mạch liên kết của phân tử làm xuất hiện các điện tích dương ở các nguyên tử khác cho đến tận nhóm cacboxyl. Tác dụng này làm tăng cường sự phân cực của liên kết O$\leftarrow$H , làm ổn định nhóm cacboxylat (COO^-) do đó làm tăng lực axit:

Sự dịch chuyển mật độ electron dọc theo mạch liên kết $\mathrm{\sigma }$ trong phân tử gây ra sự chênh lệch về độ âm điện được gọi là hiệu ứng cảm ứng, kí hiệu bằng chữ I (Inductive Effect) và được chỉ bằng mũi tên thẳng hướng về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Trong thí dụ trên, khi nguyên tử Cl ở vị trí $\mathrm{\alpha }$ so với nhóm -COOH thì làm tăng Ka lên 90 lần, ở vị trí $\mathrm{\beta }$ thì làm tăng Ka lên 6 lần, còn ở vị trí $\mathrm{\gamma }$ chỉ làm tăng Ka lên gần 2 lần. Như vậy, đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng là giảm rất nhanh khi số liên kết $\mathrm{\sigma }$ mà nó phải truyền qua tăng lên.

2. Phân loại

Trong thí dụ trên, nguyên tử Cl gây ra hiệu ứng cảm ứng bằng cách "hút" electron về phía mình, người ta nói rằng nó gây hiệu ứng cảm ứng âm, kí hiệu là -I. Những nguyên tử có độ âm điện lớn hơn C khi đính với C đều là những nhóm hút electron tức là nhóm gây hiệu ứng -I. Độ lớn của hiệu ứng cảm ứng âm tăng theo độ âm điện của nguyên tử hoặc nhóm naguyên tử gây ra hiệu ứng đó:

-I < -Br < -Cl < -F 

-NH₂ < -OH < -F

Độ âm điện của nguyên tử ở các trạng thái lai hóa khác nhau tăng theo tỉ lệ electron s trong obitan lai hóa theo trật tự sau:

Vì thế các nhóm không no đều là các nhóm hút electron theo hiệu ứng cảm ứng. Tức là nhóm có hiệu ứng -I và độ lớn của hiệu ứng cảm ứng -I cũng tăng theo độ âm điện của các nhóm đó

Như vậy, các nhóm ankyl không "hút" electron như clo mà lại "đẩy" electron. Người ta nói rằng, chúng gây ra hiệu ứng cảm ứng dương (kí hiệu +I) và được chỉ bởi mũi tên thẳng, thí dụ CH₃$\to$, C₂H₅$\to$. Độ mạnh của hiệu ứng +I của các nhóm ankyl tăng theo mức độ phân nhánh của chúng: