利用SN2反應機制取代鹵素形成醇 Substitution of Halogen to Form Alcohols by an SN2 Mechanism

有機化學的基礎264

1.     各種「鹵烷」都能經由「取代反應」形成「醇」。

2.     「第一級」和「第二級鹵烷」與「氫氧根離子」進行「SN2反應」，會形成「第一級」和「第二級醇」：

3.     一般而言，「第一級鹵烷」進行的速度比「第二級鹵烷」進行的速度快，因為「二級鹵烷」的立體阻礙比較大。

4.     「二級鹵烷」取代反應的反應速率較低，相較之下它的競爭反應「脫去反應」速率較快，這使得最後主導的反應是「脫去反應」，造成「醇」的產量減低，因為有些「初始物質」轉換成「烯」。

5.     「取代反應」存在著一個潛在的問題，那就是所有的「親核性試劑」都是「鹼」。

6.     各種「親核性試劑」的不同性質會導致各種「取代反應」之間的競爭，以及「取代反應」與各種「脫去反應」之間的競爭。「脫去反應」需要「鹼」移除與「碳」連結的「質子」。

7.     「鹵烷」在「取代反應」與「脫去反應」之間的平衡十分複雜：到底由哪一種反應主導，取決於(1)「親核性試劑」、(2)各種反應物的分子「結構特徵」與(3)「反應條件」的細節。

8.     反應物在「親核性」與「鹼性」之間的平衡，大多取決於(1)涵蓋「孤對電子」的「電子軌域」，與(2)含有這些電子的原子的「極性」。

9.     反應物，如果擁有電子集中的高極性中心（例如大鹵素離子），是比「鹼」更好的「親核性試劑」，因為它們比較喜歡攻擊「碳」，而不是比較小的「質子」。

10. 「碘離子I^－」是「鹵素離子」中最有「親核性」，也最少「鹼性」的「親核性試劑」（H－I是最強的鹵酸）。

11. 相反地，^－NH2，^－OH，^－C≡N和^－C≡C－H上的電子密度極高，讓這些反應物具備強烈「鹼性」，只有溫和（較弱）的「親核性試劑」活性。

12. 分辨哪些「反應物」能在「取代反應」中產生最多的產物並引發最低的「脫去反應」，非常重要，其中特別要留意的是「親核性試劑」，「親核性試劑」的性質常常會主導「取代反應」想要的產物的產量。

13. 如果我們想把「鹵烷」變成「醇」，「親核性試劑」就必須是^－OH或H2O。通常我們很難做到讓反應只有「取代反應」，完全沒有競爭的「脫去反應」。

14. 當「第二級鹵烷」的反應中心是「對掌中心」，「SN2反應」的「背側攻擊」會導致官能基化的「碳」組態翻轉：

15. 「第三級鹵烷」以「SN2反應機制」進行「取代反應」是不可能的，因為它的「立體障礙」會提高「取代反應」進入「過渡狀態」的能量，使進行「取代反應」的「活化能門檻」高於「脫去反應」。

「溴化第三丁基t-butyl bromide」與「氫氧化鈉 NaOH」反應的熱含量變化剖面圖。實驗觀察到的產物（2甲基丙烯 2-methylpropane）是「脫去反應」的產物，不是來自於「取代反應」，因為「取代反應」在立體阻礙下，活化能相當高。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

徐弘毅：

1.     反應物在「親核性」與「鹼性」之間的平衡，大多取決於(1)涵蓋「孤對電子」的「電子軌域」，與(2)含有這些電子的原子的「極性」。

2.     親核性試劑：富含電子的反應物，會攻擊分子的正電荷中心。親核性強的反應物，比較有能力用背側攻擊啟動SN2取代反應。

3.     鹼：依據布忍斯特-勞萊對酸鹼的定義，鹼是「質子」接收者。比較具備鹼性的物質，是比較會搶奪「質子」的（氫原子核）。不利於SN2取代反應，比較容易引起「脫去反應」。

4.     因為「鹼」的特性是搶奪「質子」，因此，鹼碰到載體，還沒有鑽進載體的「反應中心碳」，就與「碳」周圍連接的「氫」反應，進行「脫去反應」。

5.     每個載體只有一次反應的機會，而各種反應又是互相競爭的，因此，載體一旦進行了「脫去反應」，就幾乎不可能回頭進行「取代反應」。

6.     反應物，如果擁有電子集中的高極性中心（例如大鹵素離子），是比「鹼」更好的「親核性試劑」，因為它們比較喜歡攻擊「碳」，而不是比較小的「質子」。

7.     「碘離子I^－」是「鹵素離子」中最有「親核性」，也最少「鹼性」的「親核性試劑」（H－I是最強的鹵酸）。

8.     分子擁有電子集中的高極性中心－強烈的負電極性，會想接近帶有正電極性（原子核的特性）的東西，所以具有強烈的「親核性」。

9.     使「碘離子I^－」特別有「親核性」的原因是，碘的負電性強、非常喜歡吸引電子，如果「碘」靠近「氫」，經常會吸走「氫」的電子而不是「質子」。

10. 縱使「碘離子」吸引到「氫原子核」也非常容易解離吐出「質子」，恢復成「碘離子」的狀態，繼續等待「親核性」攻擊的機會。

11. 因此，「碘」比較有機會穿越「取代基」重重「氫原子」的誘惑，攻擊到反應中心的「碳」，與帶正電極性的「碳」結合。

12. 相反地，^－NH2，^－OH，^－C≡N和^－C≡C－H上的電子密度極高，讓這些反應物具備強烈「鹼性」，只有溫和（較弱）的「親核性試劑」活性。

13. 舉例來說，^－NH2靠近「載體」，還沒有鑽進「反應中心碳」，通常就吸引到「碳」周圍連接的「氫原子」，牢牢鍵結成新的分子「NH3」離開，無法進行親核性取代反應。

14. 另一個例子是^－C≡C－H，最左邊帶有負電荷的「碳^－C」，它跟「氫」鍵結形成化學鍵，比跟「碳」鍵結省力，因為：

15. (1).「氫原子」在「載體」「中心碳」的外圍，最先接觸到。

16. (2).「載體」中心的「碳」的價電子，被其他取代基原子牢牢控制住，要搶過來形成化學鍵不容易；但是「氫」比較自由，通常只有一個原子與它形成化學鍵，並且「氫」的質量比較小，對唯一的一個電子的控制力較小。

17. 所以，^－C≡C－H不容易進行「親核性取代反應」，比較容易利用它的「鹼性」，搶奪質子進行「脫去反應」。