有機化學

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歐亞書局

有機化學

^{第七版}

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歐亞書局第 7 章有機鹵化物：親核性取代與脫去反應

第 7章有機鹵化物：

親核性取代與脫去反應

7.1 鹵烷類的命名

7.2 鹵烷類的製備

7.3 鹵烷類的反應：格林納試劑

7.4 親核取代基

7.5 取代反應：S_N2 反應

7.6 取代反應：S_N1 反應

7.7 脫去反應：E2 反應

7.8 脫去反應：E1 與 E1c B反應

7.9 S_N1, S_N2, E1 , E1c B , E2 反應性摘要

7.10生命體中的取代與脫去反應

特論天然生成的有機鹵化物

p.209

有機鹵化物（organohalides），它含有一個或以上的 鹵元素。

現在已經知道許多種類的鹵化物，包括鹵素鍵結在三 鍵碳上（C≡C－X）、乙烯碳上（C＝C－X）、芳香環 上（Ar－X）。

7.1 鹵烷類的命名

鹵烷類的命名與烷類相似，但須另外考慮的是鹵素在 烷鏈上的取代位置。其命名有三步驟：

步驟一

尋找最長且含鹵素的主鏈並將其命名。如果有多重鍵 的存在，則須含在主鏈中。

步驟二

由最接近的第一個取代基的那端開始編號，不管取代 基是否為鹵素。依照取代基在碳上的編號，編定取代 基，假如取代基與端點距離相同時，則以字母優先順 序來決定。

p.210

步驟三

依字母順序寫下取代基的名字。如有兩個以上相同的 取代基，則在取代基字首加 di-, tri-, 等來表示。

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除系統名以外，許多簡單鹵化物常以烷鏈當取代基加 上鹵素方式來命名，如：CH3I 稱為碘化甲烷或甲基碘。

p.210

7.2 鹵烷類的製備

前面我們已經介紹過許多製備鹵烷類的方法，如：HX 及 X2與烯類的親電子加乘反應（4.1 和 4.4 節），Cl2

與烷類的反應（2.4節）。

最普遍的方法是從醇類（醇類是很容易從羰化物取得）

來製備，這反應可以用 HCl 或 HBr 與醇類反應來完成，

例如： 1-甲基環己醇與氯化氫（HCl）反應，生成 1- 氯-1-甲基環己烷。

p.211

歐亞書局第 7 章有機鹵化物：親核性取代與脫去反應 p.211

其中以三級醇反應性最好，一級醇與二級醇反應較慢，

我們將在 7.6 節中討論其原因。

p.211

一級醇與二級醇最好是利用氯化硫醯（SOCl2）或 溴化磷（PBr3）來與之反應生成鹵烷類。這類反應 的產率相當高。

(3)

利用一些代替試劑，烷基氟化物也可以用醇類來製 備；如：二乙基胺硫三氟 [(CH3CH2)2NSF3] 與 HF- pyridine，pyridine 是含 N 的苯環相似物。

p.212

練習題 7.1

鹵烷類的合成

請預測下列反應的產物：

方法 學習有機化學中，有一大部分是要記憶其反應，記 住醇類與 SOCl2反應可生成氯化烷類。

解答

p.212

7.3 鹵烷類的反應：格林納試劑

鹵烷類 RX 與金屬鎂在乙醚溶劑中反應可生成鹵化有 機鎂（alkylmagnesium halides）RMgX，稱為格林納 試劑（Grignardreagents）。

格林納試劑中含有碳–金屬的鍵結，因此是一有機金屬 化合物。鎂金屬可以加到鹵烷、鹵烯（vinylic）、芳 香性鹵化物（aromatic）中生成格林納試劑，除 F 外，

Cl、Br 及 I 皆可進行。

從電負度（陰電性）（1.9 節）中，你可預測碳與鎂間 的鍵結是具有高極性的，使得接鎂的碳為鹼性親核基；

注意從甲基鎂碘的電子雲分布圖中，發現接鎂的碳原 子上則電子豐富（紅色）。

p.213

格林納試劑是鎂鹽（ R3C^－＋Mg X ），含有一碳陰離 子（carbanion），具有非常強的鹼性必須隔絕空氣保 存，阻隔與水蒸氣產生質子化而分解；此酸—鹼反應 如下：

(4)

7.4 親核取代基

親電子性鹵烷類可與鹼性親核基進行反應，例如：與 OH^－離子進行親核取代（substitution）X 或脫去

（elimination）HX 產生烯類。

p.214

鹵烷類的親核取代反應，可以追溯到 1896 年德國化學 家瓦登（Paul Walden），他發現利用一些簡單的反應 可以將(＋)-和(－)-的蘋果酸（malic acid）相互轉換。

當瓦登用 PCl5與(－)-蘋果酸反應可得(＋)-氯丁二酸，

再與濕的 Ag2O 反應可得到(＋)-蘋果酸。同樣地，(＋)- 蘋果酸與 PCl5 反應後得(－)-氯丁二酸，再以濕的 Ag2O 處理可得(－)-蘋果酸，全反應如圖 7.1 所示。

p.214

圖 7.1 瓦登所提出(＋)-與(－)-蘋果酸循環互換的反應。

今天我們將瓦登循環中的轉換反應稱為親核性取代反應

（nucleophilic substitution reactions），因為每一步驟 中都有一親核基（氯離子Cl^－，或氫氧根離子OH^－）取 代了另一取代基。親核性取代反應在有機化學中是一最 常見且最有用的反應。

p.215

所有親核反應的機構都是相同的：一親核基（縮寫符 號 Nu:或 Nu:^－）與反應物R─X 反應，取代了離去基 X:^－而生成產物R─Nu。假如親核基是中性的（Nu:），

則產物將具有一正電荷在上面；若親核基帶負電（Nu:

－），產物則是中性的。

p.215

數量龐大的各類物質都可以利用親核性取代反應來製 作的。

事實上，在前面章節中炔陰離子與鹵烷類的反應

（4.11 節）就是 S_N2反應，炔陰離子親核基取代了鹵 素。表 7.1 列舉出其他例子。

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練習題 7.2

預測取代反應的產物

NaOH 與 1-氯丙烷取代反應的產物為何？

方法 寫出反應物，分辨何者為親核基（OH^－），何者為 離去基（Cl^－），接著用－OH 取代－Cl 寫出產物 完成方程式。

解答

p.216

練習題 7.3

合成中使用取代反應

如何利用親核性取代反應來製備 1-丙硫醇，CH₃CH2CH2SH？

方法 辨認產物中何者為被導入的取代基；產物中有－SH，

因此它是由 SH^－（氫硫根離子）與鹵烷類 1-溴丙烷反 應生成的。

解答

7.5 取代反應：S

_N

2 反應

SN2 反應（SN2 reaction）是單步驟沒有中間物的產生，

親核基以與離去基 180°的方向攻擊反應物。

當親核基接近反應物的一邊時，親核基上 Nu:^－的電子對 推開離去基 X:^－，使得離去基帶著C－X 的電子對在另一 側離開。在過渡狀態時新的 Nu－C 鍵結漸漸生成，而同 時 C－X 鍵則漸漸斷裂，負電荷平均分布於親核基與離 去基上。此種反應機構我們以 OH^－與 (S)-2-溴丁烷的反 應來說明，如圖 7.2 所示。

p.216

p.217

反應機構

圖 7.2 SN2 的反應機構。此反應為單步驟，當親核基

（OH^－）以與離去基（Br^－）180° 進入時，碳原 子的組態發生翻轉。

反應機構

圖 7.2 SN2 的反應機構。此反應為單步驟，當親核基（OH^－） 以與離去基（Br^－）180°進入時，碳原子的組態發生翻轉。

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SN2 的反應速率 Rates of SN2 Reactions

在許多化學反應中都可以見到反應物的濃度與反應 速率有關。例如：我們來看 OH^－與 CH3Br 進行 SN2 反應生成 CH3OH 的反應，當反應物與親核基 碰撞後發生反應為單一步驟。假如我們將 OH^－的濃 度加倍，則它與反應物碰撞的機率也加倍，如此反 應速率也隨著變成兩倍。同樣地，將 CH3Br 的濃度 加倍也有相同的結果。因此，縮寫 SN2 中的「2」是 指雙分子（bimolecular），因為反應物的速率與兩 個反應物有關——即鹵烷和親核基。

p.217

SN2 反應的立體化學

Stereochemistry of SN2 Reactions

重新再看圖 7.2 中 SN2 的反應機構，當親核基攻擊 受質的同時，其相反方向的離去基也開始被推出，

如此分子的組態將反轉（inverts），見圖 7.3。舉例 來說，藉由一平面的過渡狀態造成組態反轉，使 (S)-2-溴丁烷轉變成 (R)-2-丁醇。

p.218

圖 7.3 SN2 反應的過渡狀態是由碳原子上留存的三個取代基排 成一平面狀；電子位能圖顯示進入的親核基與離去基共用負電荷

（紅色）（紅色虛線代表有部分鍵結）。

練習題 7.4

預測取代反應的產物

氰化鈉（NaCN）與 (S)-2-溴辛烷進行 SN2 反應會產生何 種物質？

方法 區別出親核基（氰離子）和離去基（碘離子），

利用組態反轉完成取代反應。(S)-2-碘辛烷與 CN^－ 反應生成 (R)-2-甲基辛。

解答

p.218

SN2 反應的立體效應 Steric Effects in SN2 Reactions 親核基是否能接近受質輕鬆完成 SN2 反應，取決於 攜帶鹵素的碳原子的立體空間；當攜帶鹵原子的碳 上有巨大取代基時，將使得親核基較難以接近，而 使反應速率變慢（圖 7.4）。

p.219

圖 7.4 SN2 反應的立體障礙。圖中顯示在溴化甲烷的碳原子最容 易接近，SN2 反應最快，但在溴化乙烷（一級）、2-溴丙烷（二 級）及 2-溴-2-甲基丙烷（三級）中的碳原子則愈來愈不容易接近

，因此 S_N2 反應愈來愈慢。

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在取代反應中，甲基鹵化物（CH₃X）的反應最快，

接著為一級鹵烷類（RCH2─X），如：乙基、丙基 等；而離去基所接的碳上如接上烷基分支，將減緩 反應速率如二級鹵烷類（R2CH─X），再增加分支 如三級鹵烷類（R3C─X），其反應速率最慢。

乙烯基鹵化物（R2C＝CRX）和芳香鹵化物（Ar─X）

不進行SN2 取代反應，故沒列在上面，這純為立體 障礙的結果。要進入的親核基無法從背面進入完成 取代反應。

p.219

練習題 7.5

預測取代反應的速率

OH^－離子與 1-溴戊烷或 2-溴戊烷的 SN2 反應中，哪一個 反應較快？

方法 先分辨哪一個立體障礙較小。1-溴戊烷為 1°鹵化 物，2-溴戊烷為 28 鹵化物，故為立體障礙較小的

1-溴戊烷反應較快。

解答

SN2 反應中的離去基

The Leaving Group in SN2 Reactions

另一個影響 SN2 反應的是離去基。在大多數的 SN2 反應中離去基通常帶負電荷，故最穩定的陰離子是 最好的離去基。因此鹵離子I^－、Br^－或 Cl^－等為良 好的離去基，而 F^－、OH^－、OR^－和 NH2^－等為較 差的離去基。

p.220

7.6 取代反應：S

_N

1 反應

大部分的親核取代反應皆以 SN2 進行，但也有一部分是 以SN1 反應（SN1 reaction）來完成。

一般來說，SN1 反應發生於三級（tertiary）取代基且在 中性或含氫氧基的酸性溶劑中進行，如：水及醇類中。

不像在 SN2 反應中進入的親核基與離去基是同時發生的，

SN1反應離去基要比進入的親核基早一步發生解離，失 去離去基後產生碳陽離子的中間物，下一步才與親核基 結合生成產物。

p.221

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此兩步驟的反應機構可以解釋，為什麼三級醇與 HBr 的 反應會比二級、一級快：因為要進行 SN1 反應必須能生 成穩定的碳陽離子中間物，此碳陽離子中間物愈穩定，

反應速率就愈快。

因此，醇類與 HBr 反應的速率與碳陽離子的穩定度相同

（4.2 節）。

p.221

SN1 反應的速率 Rates of SN1 Reactions SN1 的反應速率不像 SN2 反應與反應物、親核基兩 者濃度皆有關係；事實上，SN1 的反應速率只與反 應物的濃度有關，而與親核基的濃度無關。換句話 說，SN1 的「1」是指單分子（unimolecular），因 為它的反應速率僅與反應物（受質）單分子有關聯。

SN1 中的單分子反應是指沒有親核基下所進行的自 發性反應，其反應機構為圖 7.5 中所解釋的。

p.221

反應機構

圖 7.5 第三丁醇與 HBr反應生成鹵烷類的 SN1 反應機 構，中性的水為離去基。

反應機構

圖 7.5 第三丁醇與 HBr反應生成鹵烷類的 SN1 反應機構，中 性的水為離去基。

SN1 反應的立體化學

Stereochemistry of SN1 Reactions

SN1 反應是經由碳陽離子中間物，因此它的立體化 學必定與 SN2 反應不同。因為碳陽離子為平面的 sp²-混成且非對掌性，親核基可以從兩邊等量攻擊正 電荷的碳，產生比率約為50：50（消旋性）的對掌 異構物（圖 7.6）。換句話說，因產生非對掌性的碳 中間物，進行 S_N1 反應後分子失去了對掌性，因此 其產物是光學不活性的。

p.222

圖 7.6SN1 反應的立體化學。因為產生非對掌性的中間物，純對 掌性的物質反應後會產生消旋性產物。

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例如：將單一具有旋光性的 (R)-1-苯基-1-丁醇與 HCl 反應，其產物為消旋性的氯化物。

p.223

練習題 7.6

預測取代反應的立體化學

請預測 (R)-3-溴-3-甲基己烷與甲醇進行 SN1 生成 3-甲氧 基-3-甲基己烷的立體結構？

方法 首先畫出鹵烷類正確的立體結構，用甲氧基

（－OCH3）取代－Br 產生消旋性產物。

解答

p.223

SN1 反應的離去基

The Leaving Group in SN1 Reactions

如同 SN2 反應一樣，在 SN1 反應中能產生穩定陰離 子的離去基為好的離去基。要注意的是 SN1 反應大 部分是在酸性中進行，因此當三級醇與 HX 反應生 成鹵烷類（圖 7.5），中性水才是離去基。SN1 中離 去基的反應性為：

7.7 脫去反應：E2 反應

親核基／鹼與鹵烷類的反應可分為兩種：一種是親核 基／鹼取代了離去基，如 SN1、SN2 反應；另一種是親 核基／鹼與鹵烷類反應脫去 HX 生成烯類。

p.224

從鹵烷類中脫去 HX 是非常有用的製備烯類方法。

根據 1875 年俄國化學家 Alexander Zaitsev 所提出賽氏 法則（Zaitesev’srule），推測脫去反應的產物以雙鍵 上有較多的取代基為主。例如：2-溴丁烷在乙醇中與 KOH 反應生成 2-丁烯（雙鍵上有兩個取代基）比 1–

丁烯（雙鍵上只有一個取代基）多。

p.224

賽氏法則：從鹵烷類中脫去 HX，所生成的烯類以雙鍵 上取代基較多占優勢。

所有三種機構在實驗室中皆可能進行，但在生物反應 途徑中以 E1cB 占優勢。

(10)

p.225

反應機構

練習題 7.7

預測離去反應的產物

1-氯-1-甲基環己烷在乙醇中與 KOH 反應，其產物為何？

方法 鹵烷類與 KOH 反應會生成烯類。先畫出起始物結 構，並找出離去基旁碳上的氫原子，然後移去 HX 而生成烯類產物，但主產物是雙鍵上取代基較多 者，亦即 1-甲基環己烯。

解答

p.226

7.8 脫去反應：E1 與 E1cB 反應

E1 的反應 The E1 Reaction

SN1 也有一相似反應稱為E1 脫去反應（E1 reaction）

（脫去；單分子反應）。

E1 脫去反應與前面所談的 SN1 反應相同都是單分子解離，

但不同的是 E1 接著從中間物碳陽離子中失去 H^＋，而不 是接上取代基。

事實上，當鹵烷類在氫氧基性溶劑中以非鹼性親核基處 理時，E1 與 SN1 反應是一起競爭的。因為最好的 E1 反 應物也是最好的SN1 反應物，因此脫去及取代的產物兩 者常會混在產物中，例如：2-氯-2-甲基丙烷在 65°C、80

％的乙醇中會產生 64：36 混合的 2-甲基-2-丙醇（SN1）

和 2-甲基丙烯（E1）的混合物。

(11)

反應機構

p.228

E1cB 的反應 The E1cB Reaction

對照於 E1 反應生成碳陽離子中間物，E1cB 反應（E1cB reaction）則產生碳陰離子中間物；鹼基誘導著抽離 H^＋ 產生陰離子，接著驅逐鄰近碳上離去基；這些反應物有 一共同特點就是離去基是「差的」離去基。

7.9 S

_N

1,S

_N

2, E1, E1cB, E2 反應性摘要

一級鹵化物（RCH₂X）通常進行 S_N2 反應途徑，例如：

以良好的親核基，如 I^－、Br^－、RS^－、NH3或 CN^－進 行取代 SN2。但以強鹼，如 OH^－及 RO^－當親核基，則 除了 SN2 反應外，也伴隨有少量 E2 反應進行。假如離 去基隔兩個碳為羰基（HO－C－CH－C＝O）則進行 E1cB。

二級鹵化物（R2CHX）親核基為弱鹼，則 SN2 反應較優 勢；親核基為強鹼 E2 反應較優勢。假如離去基隔兩個 碳為羰基（ HO－C－CH－C＝O）則進行 E1cB。

三級鹵化物（R₃CX）在鹼中進行 E2 途徑，而在酸性及 中性時，S_N1 及 E1 混合進行。假如離去基隔兩個碳為羰 基（HO－C－CH－C＝O）則進行 E1cB。

p.228

練習題 7.8

預測反應的反應機構

預測下列反應進行的是 SN1、SN2、E1、E1cB 或 E2：

方法 先辨別反應物的級別，依據上述通則決定其為脫去 或取代反應。

解答 (a) 反應物為二級，產物為烯類，故為 E2 反應。

(b) 反應物為三級，在酸性溶液中進行 SN1 反應。

p.229

7.10 生命體中的取代與脫去反應

大多數的生物反應也是進行與實驗室中的加成、取代、

脫去、重排一樣的反應機構。在生物體中， SN1、SN2 反應相當常見。

最常見到的是生物取代反應為甲基化（methylation），

它是將－CH3從親電子基上轉給親核基。

實驗室中常利用 CH3I 來反應，但生物體中則是以 S-腺 甲硫胺酸（S-adenosylmethionine，簡寫為 SAM）當作 生物性甲基供給者。

在 S-腺甲硫胺酸中的硫帶正電（硫離子，sulfomium ion，

R3S^＋），其在甲基碳上進行 SN2 取代反應是極為良好的 離去基。

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從化學觀點上來看，簡單的 CH3I 分子與複雜的 S-腺甲 硫胺酸，都能進行轉移甲基的 SN2 取代反應，相當令人 驚訝。

如同取代反應一樣，生物反應途徑也常發生脫去反應，

特別常見到的是 E1cB 反應機構；受質通常是醇類，如 實驗室中的反應移去鄰近羰基旁的碳上氫。

典型例子就是脂肪的生合成。3-羥基丁基醯硫酯脫去水 生成不飽和巴豆醯硫酯，反應中的鹼就是酵素上的胺官 能基。

p.230

特論

特論天然生成的有機鹵化物

1970 年時，在自然環境中僅僅只發現約 30 種有機鹵化 物，如氯仿、酚的鹵化物、稱為PCBs 的氯化芳香族，

及一些從環境中發現的工業汙染物質，而三十年後的 今天則有超過 5000 種以上的鹵化物汙染著我們的環境，

從簡單結構的氯仿到相當複雜的萬古黴素皆有，它們 存在於植物、細菌、動物體中，有些甚至含有奇特的 生理活性。

Halomon 五鹵烯從紅藻 Portieria hornemannii 分離出 來，發現它對人類腺細胞腫瘤具有抗癌的活性。

p.231

特論

特論天然生成的有機鹵化物(續)

p.231

特論

特論天然生成的有機鹵化物(續)

許多生物常利用有機鹵化物來自我防衛，防止被掠食，

或刺激掠食者或是當作殺蟲劑。例如：海綿、珊瑚、

海兔等會釋放出惡臭味的有機鹵化物防止魚類、海星 及其他掠食者掠食。甚至人類也會進行鹵化反應來對 抗感染。

例如：在免疫系統中有過氧化能與黴菌、細菌等進行 鹵化反應，殺死這些病原體。甚至超乎尋常的在人體 中也可以發現 Cl₂。

有機化學

有機化學

第 7章 有機鹵化物：

親核性取代與脫去反應

7.1 鹵烷類的命名

7.2 鹵烷類的製備

鹵烷類的合成

7.3 鹵烷類的反應：格林納試劑

7.4 親核取代基

預測取代反應的產物

合成中使用取代反應

7.5 取代反應：S

2 反應

反 應 機 構

反 應 機 構

預測取代反應的產物

預測取代反應的速率

7.6 取代反應：S

1 反應

反 應 機 構

反 應 機 構

預測取代反應的立體化學

7.7 脫去反應：E2 反應

反 應 機 構

預測離去反應的產物

7.8 脫去反應：E1 與 E1cB 反應

反 應 機 構

7.9 S

1,S

2, E1, E1cB, E2 反應性摘要

預測反應的反應機構

7.10 生命體中的取代與脫去反應

特論

特論 天然生成的有機鹵化物

特論

特論 天然生成的有機鹵化物(續)

特論

特論 天然生成的有機鹵化物(續)

第 7章有機鹵化物：

反應機構

反應機構

反應機構

反應機構

反應機構

反應機構

特論天然生成的有機鹵化物

特論天然生成的有機鹵化物(續)

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