有機化學的基礎267
徐弘毅：
1. 「醇離子alkoxide ions」是很好的「親核性試劑」，能取代「鹵烷」的「鹵素離子」，產生新的「碳－氫」鍵。
2. 範例中，「溴甲烷」的中心「碳」原子，與3個「氫」與1個「溴」鍵結，這四個化學鍵中最容易斷裂的是「碳－溴」鍵，所以「溴」是「碳」受到背側攻擊時的「離去基」。
3. 所有的物質都會發揮自己的天性追求最穩定的狀態。
4. 「溴」：(1)具有極性。(2)缺1個「電子」就能填滿最外層的「價電殼層」，達到穩定狀態，所以，「溴」會搶奪中心「碳」原子提供的「共價電子」，拉到自己的最外層電子軌域，形成極性的「碳－溴」化學鍵。
5. 由於「溴甲烷」的中心「碳原子」的1個「價電子」遠離自己，因此中心「碳原子」具有「陽離子」特性，能吸引帶負電荷的「親核性試劑」。
6. 再加上這裡所舉的例子，「碳」所鍵結的「取代基」，除了「離去基」以外，全都是體積最小的元素「氫」，沒什麼能力遮蔽中心「碳原子」，因此，「溴甲烷」的中心「碳原子」，非常容易受到「親核性試劑」的攻擊。
7. 「醇」在「鹼」與「鹼金屬」的破壞下，失去1個「質子」，剩下的「醇離子」的「氧」布滿6個電子，成為「親核性試劑」。
8. 當「醇離子」與「溴甲烷」碰撞會發生什麼情況？
9. 【情況1】「醇離子」的「氧」從「溴甲烷」的「溴」那一側攻擊。
10. 這不會發生化學變化，因為「溴原子」體積大，會阻擋「醇離子」穿透「取代基」接近中心碳原子，並且，「溴」身上布滿電子，與「醇離子」異性相斥，。
11. 縱使「醇離子」僥倖接近中心「碳原子」形成微弱的化學鍵，也會因為活動空間不足，很快地被溴原子擠開，無法進入理想的「過渡狀態」。
12. 所以，「醇離子」的「氧」從「溴甲烷」的「溴」那一側攻擊，結果是互相彈開，不會造成「碳－溴」化學鍵斷裂。
13. 【情況2】「醇離子」從「溴甲烷」連接「氫原子」那一側攻擊，「氧」吸走「溴甲烷」的一個取代基「氫」的「原子核」。
14. 「醇離子」靠近搶奪「溴甲烷」的「氫原子核」時，「氫」的「價電子」與中心「碳原子」，會以帶負電荷的「陰離子」的角色，想辦法奪回「氫原子核」。
15. 縱使「醇離子」僥倖奪走「溴甲烷」的1個「氫原子核」，「溴甲烷」失去1個「質子」以後變成的「陰離子」，是極不穩定的化合物，一定馬上從周遭搶奪回質子，恢復成「溴甲烷」。
16. 「溴甲烷」最可能搶奪的對象就是剛剛才被「醇離子」奪走的「質子」，因為距離最近。
17. 如果溴甲烷要走「脫去反應」路徑，那就必須失去1個「質子」後，再失去1個「溴離子」，這是更不可能的事情，因為剩下的「碳」與「氫」無法形成「雙鍵」，不可能穩定。
18. 由此可見，「溴甲烷」追求原本分子系統的穩定力量，會大於「醇離子」的破壞性，因此不容易發生「脫去反應」這種化學變化。
19. 【情況3】 「醇離子」從「溴甲烷」連接「氫原子」那一側攻擊，「氧」撞擊到中心「碳原子」，造成「碳原子」背後的「溴原子」脫離。
20. 這是最恰當的化學反應路徑。「親核性試劑」從「氫原子群」那一側攻擊，沒有阻礙，接近中心「碳原子」時，「親核性試劑」的「氧」提供多餘的「電子」，與「碳」形成化學鍵。
21. 並且，「親核性試劑」撞擊中心「碳原子」的力量，彈開「碳」背後的「溴」，打斷「碳－溴」化學鍵，能立刻使分子系統取得平衡。這就是SN2親核性取代反應機制。
22. 要用SN2這個路徑合成「第三級丁基乙基醚 t-butylethyl ether」，必須用「第三級丁醇離子 t-butoxide ion」作為「親核性試劑」，「乙基溴 ethyl bromide」作為「親電性試劑」（也就是「載體」）。
23. 「第三級丁醇離子」的「氧」，從「甲基」與「氫原子群」那一側攻擊「乙基溴 」的中心「碳原子」（注），造成「碳」背後的「溴」受撞擊彈開，「碳－溴」鍵斷裂。
注：「第三級丁醇離子」最可能從「乙基溴 」的「氫原子」取代基的區域鑽進去，這個位置的立體阻礙最小。
24. 同時「第三級丁醇離子」的「氧」，與「乙基溴 」的中心「碳」形成「化學鍵」，製造出產物「第三級丁基乙基醚」。這就是SN2反應。
25. 「乙醇離子」和「第三丁基溴」將無法產生「醚」，因為「第三丁基溴」的中心「碳原子」，被3個大取代基「甲基」與1個大原子「溴」包圍，「乙醇離子」不容易穿透攻擊到中心「碳原子」。
26. 縱使「乙醇離子」僥倖穿透「第三丁基溴」各個大取代基，接近中心「碳原子」，也會被不斷擺動的各個大取代基排擠出去，難以進入SN2反應的過渡狀態。
27. 依據碰撞理論，分子的碰撞造成化學鍵的形成或斷裂，而產生化學反應。分子們彼此以各種角度互相碰撞，不同的角度常常造成不同的反應路徑，雖然理論上每一種反應都有可能發生，但是只有最容易進行的反應路徑會成功。
28. 在「乙醇離子」和「第三丁基溴」反應的例子中，要進行SN2反應的困難度太高，因此不會產生「醚」。
29. 相較之下，要進行「脫去反應」容易得多。「乙醇離子」只要扮演「鹼」的角色，提供電子給「第三丁基溴」的取代基上的「氫原子」，吸引「氫原子核」脫離（去質子化），遺留「氫」的「共價電子」給「第三丁基溴」。
30. 去質子化的「第三丁基溴」多得到1個「電子」，如果沒有馬上抓到新的帶正電荷的「親電性物質」來鍵結，那1個電子就會在分子系統的各個化學鍵間亂竄（非定域移動），造成系統不穩定。
31. 去質子化的「第三丁基溴」有一個極性共價鍵「碳－溴」鍵，鍵上的2個共價電子都靠近「溴」，使得靠近「碳」的化學鍵那一端帶有正電荷極性。
32. 因此多出來的那1個電子，很快地鑽到「碳－溴」鍵上，靠近「碳」帶正電荷極性的位置。
33. 這造成「碳－溴」鍵擁有3個共價電子，電子太多太多了，負電荷的電子會彼此相斥，也會阻擋「碳」與「溴」的原子核彼此的引力，造成化學鍵斷裂，於是，「溴離子Br－」帶著2個共價電子（自己的價電子與碳的價電子）離開。
34. 「第三丁基溴」失去1個質子與溴離子，得到2個價電子，形成一個「雙鍵」，產物是「烯」分子；脫離的「質子」與「溴離子」變成HBr產物。這就是「脫去反應」。
沒有留言:
張貼留言