离去基团
除烃基外,卤代烃中还有另一部分:卤素原子。不论是取代还是消除,反应中C-X键最终都会断裂,卤素都会以负离子的形式 离开,也即所谓的“离去基团”。离去基团对反应历程也会存在一定的影响。“离去基团”通常指的是反应断开C-X键后形成的卤负离子,而非断键前的卤素原子。
离去基团的离去性能对于单分子或双分子历程的竞争也存在影响。一般而言,“好”的离去基团有利于单分子历程SN1与E1, 反之“坏”的更容易导致SN2与E2。“好”的离去基团容易离去,C-X键容易断开,自然更容易形成碳正离子按单分子 历程进行反应。反之“坏”离去基团卤素原子就是赖着不肯走,亲核试剂或者碱只好主动进攻,容易发生的自然是双分子历程。
对于卤代烃而言,四种卤素离子的离去性能次序为:I- > Br- > Cl- > F-。明显这与碳卤键的键能有关。此外也容易发现,越易离去的基团,应是越弱的Lewis碱。
如果我们再把眼界放宽,亲核取代或者消除反应其实并不局限于卤代烃,醇、醚等化合物其实都可以发生同类反应。常见的离去基团离去性能 我们可以排出一张大表来:
这么一个离去性能的次序对我们自己设计反应也很有帮助。如从醇出发,利用亲核取代反应可以制备卤代烃。但如果直接想用卤负离子取代羟基的话, 反应几乎不可能发生:
原因很简单:这样直接反应的话,离去基团是HO-,从上表可知这是个不易离去的基团,导致反应异常困难。
实验室中,要完成这个反应时我们通常会采取一个小伎俩:在强酸性条件下先把醇转变成[钅羊]盐正离子,而后再用卤负离子去做取代。这时离去基团就变 成了容易离去的H2O,反应起来自然容易很多。
进攻试剂
卤代烃外,反应中的另一个反应物:进攻试剂(亲核取代中的亲核试剂、消除反应中的碱)对反应历程自然也存在影响。
首先,进攻试剂浓度对反应过程会造成影响。对于SN1与E1,动力学上是一级反应,反应速率与进攻试剂浓度的关系不大。而SN2与E2,我们知道动力学上是个二级反应,因此进攻试剂浓度越高,反应速率越快。因此这儿我们很容易推想, 高浓度的进攻试剂有利于发生双分子反应,反过来低浓度则对双分子历程不利,容易发生与其竞争的单分子历程。
进攻试剂的活性也对反应历程存在影响。亲核性强,对SN2有利,反之则利于SN1;而碱性强有利于E2,碱性弱则利于E1。这也是很显见的,亲核性碱性强,仿佛是进攻试剂性子急,一上来就奔着卤代烃进攻过去了,自然容易发生双分子历程;反过来 亲核性碱性弱,进攻试剂是个慢性子,我就是不着急,等你卤代烃断开碳卤键生成碳正离子之后再慢慢悠悠过去,当然也就 有利于单分子历程了。
在实验室的实际工作中。像卤代烃的亲核取代中我们知道有一类所谓的“溶剂解”(水解、醇解、氨解) 反应,不投加负离子类的亲核试剂,而直接让具有一定亲核活性的溶剂分子与卤代烃反应。
这种电中性的水、醇、氨,亲核能力 自然要比带负电荷的OH-、RO-、NH2-要差很多,因此此时发生的通常都是SN1 单分子历程。
此外描述进攻试剂活性的时候,我们出现了“亲核性”与“碱性”两个不同的名词,分别 用在亲核取代与消除两个不同的场合。这两个性质其实存在明显的关联,本质上说都是描述富电子的进攻试剂进攻缺电子中心的能力, 因此进攻试剂电子云密度越高,亲核性与碱性一般也会越强。
但这两个名词之间也存在一定的区别,如下图所示,亲核性描述的 是穿过三个基团进攻中心碳原子的能力,受位阻的影响比较大;而碱性描述的进攻旁侧β-H的能力,受位阻影响较小。这个差异在很多 反应中相当重要,也导致很多碱性强的试剂亲核能力反而不一定强。
如MeO-与tBuO-两种负离子, 负电中心氧原子上的电子云密度明显是tBuO-高,它的碱性也更强,但由于叔丁基的体积过大,较难穿过三个基团 的位阻去进攻中心碳原子,因此tBuO-的亲核性反而不及MeO-。
溶剂
有机反应中通常还有一个重要的参与者:溶剂。
常见的溶剂分类如下图所示,注意极性溶剂中我们又细分为质子与非质子极性溶剂两类,这两类试剂的性质有点儿相反的意思。
溶剂与取代或消除反应历程也有一定的关系。比如我们先从亲核取代看起。不同溶剂对两种亲核取代历程的影响大致如下表:
对于SN1,速控步是C-X键的断裂,由电中性分子生成了碳正与卤负两个离子,从整体看这步反应明显是个电荷分散、极性增加的过程。
因此极性溶剂对它都是比较有利的——无论是质子还是非质子极性溶剂。像质子极性溶剂这里很容易与解离出的卤负离子发生溶剂化作用, 非质子极性溶剂则容易与解离出的碳正离子发生溶剂化作用,这都能使反应生成的中间体能量下降,进而降低速控步的活化能。而反过来, 非极性溶剂相对而言自然对SN1反应不是特别有利。
而SN2历程,反应一步进行,亲核试剂(往往是负离子)进攻卤代烃,形成五元络合物过渡态,这实际是个电荷集中的过程,过渡态本身的 极性也比较低。因此与SN1相反,此时非极性溶剂将有利于反应。
极性溶剂中的质子极性溶剂,将对反应尤其不利:它会与亲核试剂负离子 发生溶剂化作用,一大堆溶剂分子包裹在负离子外边妨碍负离子对中心碳原子的进攻。
但对非质子极性溶剂,情况又有所不同。它不易与负离子发生溶剂化作用,因此基本不会像质子极性溶剂那样影响到亲核试剂的进攻性。于此同时,我们也知道亲核试剂负离子不可能凭空产生,通常都是由含活泼氢的电中性分子解离得到的:
这个解离过程中,非质子极性溶剂刚好又可以与解离出的质子结合,促进解离平衡右移,实际会提高解离出的亲核试剂负离子的浓度。进攻试剂浓度提高,无疑这对SN2反应是相当有利的。因此这儿非质子极性溶剂通常也会使SN2过程加速。
综上,我们发现非质子极性溶剂在亲核取代反应中是个挺神奇的存在,无论是SN1还是SN2,都有增加反应速度的效果。这个特性 在实验室中也有很多的应用,许多在常规溶剂中原本很慢的反应,我们换用DMSO或是DMF,经常速率都能大大加快,化腐朽为神奇。当然,非质子极性溶剂的价格一般比较昂贵,后期分离也略微困难,因此通常情况下,我们还是尽量选用常规的非极性或质子极性溶剂 进行反应。
以上是对亲核取代反应的讨论。至于消除,情况也是类似,对于常规的溶剂,也同样是非极性有利于E2,质子极性有利于E1。
由于SN1与E1均涉及碳正离子,容易引起重排且无立体选择性,因此在实际合成中,我们更喜欢使用SN2与E2历程。单单对这两种 双分子历程的竞争而言,E2的过渡态极性通常较SN2更小,因此极性较高的溶剂有利于SN2,较低的有利于发生E2。
这在我们自己设计反应时也具有指导意义。如由卤代烃通过亲核取代制备醇,我们通常令其在极性较大的水中与NaOH反应。而 想从卤代烃通过消除得到烯,我们会换用极性低一些的溶剂,考虑到成本,最常见的选择是乙醇(当然醇本身也具有极性,但 不管怎么说要比水低不少)。
除了对反应历程造成直接的影响,很大程度上溶剂也会影响进攻试剂的进攻活性,尤其是在亲核取代反应中。这在我们课本中也有 专门的讨论,此处不再赘述。简而言之,由于质子极性溶剂容易与负离子结合的特性,带负电的亲核试剂受它的影响极大, 负电荷密度越高的离子越容易被溶剂分子包裹,导致其亲核活性大大下降。同族 的亲核试剂,在质子极性溶剂中亲核性次序常常是与电子云密度/碱性相反的。如四种卤素离子的碱性、不同溶剂中的亲核性次序如下:
反应温度
最后,温度对反应也有一定的影响,这其中以合成中最常用的SN2与E2间的竞争最为明显。由于E2的活化能一般而言较SN2更高, 因此升高反应温度往往会导致消除产物比例的提升。反过来我们如果想进行SN2亲核取代,则一般最好在常温或低温下进行。
我们讨论了一系列因素对四种反应历程的不同影响,看起来及其错综复杂,这使得很多同学到这儿的时候感觉异常困惑,拿到一个具体反应 不知道怎么判断主要的反应方向。实际在基础有机化学的学习中我们遇到的反应相对比较简单,一般而言判断反应走向, 我们大致可以使用下面流程图里的步骤:
反应实例:
以下我们就使用刚才的流程图来对一些典型的反应实例进行判断。
例1
首先看卤代烃结构,底物分子明显是叔卤代烃,本身消除的倾向就比较大。再者注意到反应条件中我们加了OH-,明显也是碱。因此不难判断,这个反应主要发生的将是消除。
例2
还是先看卤代烃结构。当前是个仲卤代烃,介于伯、叔之间,消除或取代的可能性都不小。再注意进攻试剂,这里又是OH-, 具有碱性但同时也具有亲核性,还是没法儿判断。最后我们注意到反应当前没有加热,使用的还是极性比较高的水作为溶剂。因此到这里, 我们终于可以断言,该反应主要将进行亲核取代,而且由于进攻试剂亲核能力较强,主要发生的还是SN2亲核取代。反应具有立体选择性, 主要将得到下图中构型翻转的产物。
例3
底物分子是伯卤代烃,按说应当倾向于取代。但注意反应条件,尤其是其中的碱、加热与醇溶剂,这实际是个明显的消除反应特征。这种条件下即便是伯卤代烃,主要进行的也是消除(而且不难判断主要应是E2消除)。
碱-醇-加热,这可以说是最典型的卤代烃消除反应条件。看到这三样凑在一起,几乎不用多想,多半儿发生的是消除反应。当然这是针对卤代烃而言,其它一些类型分子的消除,我们需要使用截然不同的条件。