有機化學的基礎302

1.     「2-溴丁烷 2-bromobutane」的「第一個碳C-1」有3個氫原子，但是「第三個碳C-3」只有2個氫原子：

2.     依據連接的氫原子數量的多寡來看，要移除C-1的質子（形成1-butene）比移除C-3的質子（形成2-butene）容易。更進一步來看，一級C-1上的氫原子立體擁擠程度，低於二級C-3上氫原子。所以，「鹼」跟立體阻礙比較低的碳原子（C-1）的質子反應，進入過渡狀態後，產生1-butene。

3.     注：碳的體積遠比氫大，佔據的空間大許多；一級C-1只有一端連接碳原子鍊，其餘的空間都給3個氫原子；二級C-3有二端都連接碳原子，留給2個氫原子的空間小非常多，所以C-3連接的氫原子顯得非常擁擠。

4.     當我們使用大型的鹼－例如potassium t-butoxide－立體阻礙這個因素就非常重要，甚至主導了反應。這種情況使得在比較不容易被取代的位置上的氫原子被取代了，製造出比較不穩定的產物烯，而這種較不穩定的產物佔混合產物的絕大部分。

5.     如果一個反應是讓本來看起來比較不容易被取代的氫原子，被取代掉了，製造出來的主要產物是比較不穩定的烯分子，我們會說這個反應遵循霍夫曼方向Hofmann orientation。E2反應經常按照霍夫曼方向進行。

6.     霍夫曼方向的名稱是為了紀念德國化學家August Wilhelm Hofman，他發現四級銨鹽quaternary ammonium halides與氧化銀Ag2O放在一起會產生脫去反應，在這個脫去反應裡，比較不容易被取代的原子被取代，大量製造出比較不穩定的烯。

7.     這個反應稱為霍夫曼脫去反應Hofmann elimination，反應結果充滿區域選擇regioselective（特別分子某個位置的取代基特別容易被取代，反應特別容易產生某一種異構物regioisomer）。

柴瑟夫方向 Zaitsev Orientation

8.     另外一種相反的情況是，像「氫氧化鈉」解離出來的小型鹼OH，對載體分子的立體構造間原子的交互作用較不敏感，不像大型鹼分子potassium t-butoxide。

9.     由小型鹼分子啟動的脫去反應，產物的熱力學穩定度，變成決定過渡狀態穩定度的更重要因素，比較偏向形成二種 順式、反式的2-butenes。

10.  如果一個反應偏向於產生更穩定的烯分子、反應使得比較容易被取代的原子被取代掉，這個反應就是遵循柴瑟夫方向Zaitsev orientation。

11.  俄羅斯化學家A. N. Zaitsev生於1841年，他研究脫去反應時發現一個法則（柴瑟夫法則Zaitsev rule），化合物中有些取代基的位置，比較容易被其他參與反應的原子（鹼）取代（脫去），使得反應傾向於大量產生取代基較多的產物烯（比較穩定的烯）。

12.  簡而言之，霍夫曼法則是指某些脫去反應有利於產生較不穩定的烯（比較不容易取代的取代基，竟然被取代了），柴瑟夫法則是指某些脫去反應有利於產生較穩定的烯（比較容易取代的取代基，被取代掉了）。

13.  在脫去反應中使用大型鹼分子，會使反應朝向霍夫曼方向（例如，製造出1-butene），如果使用小型鹼分子會使反應朝向柴瑟夫方向（例如，製造出cis-和trans-2-butene）

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

研究心得：

1.     同樣是「2-溴丁烷 2-bromobutane」，有些實驗的結果，一直不斷地產生比較不穩定的烯「1-丁烯1-butene」；有些實驗結果則是產生較穩定的烯「2-丁烯 2-butene」。所有化學反應不是應該追求最穩定的結果嗎？為什麼有些反應會產生比較不穩定的分子呢？

2.     原因來自於「鹼」。如果碰撞「2-溴丁烷」的是比較大顆的「鹼」分子，那麼，就會產生比較不穩定的烯；如果碰撞的是比較小顆的「鹼」分子，那就會產生穩定的烯。為什麼鹼分子的大小會影響E2脫去反應的結果呢？

3.     大型的鹼分子的特色是，陰離子包裹在一團碳氫原子群中，表面積大。大型的鹼碰撞「2-溴丁烷」的時候，比較難深入到「2-溴丁烷」的內部細節，因為當它接近C-2、C-3的氫原子時，很容易被這些氫原子兩旁連接的大顆碳原子反彈出去，不容易成功，這就是立體阻礙的問題。

4.     當大型的鹼，去撞擊「2-溴丁烷」頭、尾端的氫原子，這些氫原子只有一個連接的碳原子可能反撞擊回來，其他所有的角度都沒有防守、毫無阻礙，所以立體阻礙較低。

5.     再加上一個機率的問題，「2-溴丁烷」每一個碳所連接的氫原子數量不一樣，數量比較多的，被大型鹼分子撞到、吸引走的機會較大；而頭、尾兩端連接的氫原子數量較多，所以被大型鹼撞到、吸引的機率也較大；頭、尾端氫原子脫離會製造出比較不穩定的烯。

6.     所以使用大型鹼分子進行E2脫去反應，產生比較不穩定的烯，這稱為霍夫曼法則。

7.     如果碰撞「2-溴丁烷」的是比較小顆的「鹼」分子，就容易鑽進「2-溴丁烷」每一個角落撞擊，所以碳骨架中間的C-2、C-3上的氫原子也有一樣被撞擊的機會。

8.     由於鹼分子體型小可以鑽進去，加上縱使C-2、C-3連接的氫原子，兩旁有2個碳原子阻礙，但也因為C-2、C-3的氫原子本來就比較鬆動，而容易被小型鹼分子吸引走。

9.     此外「2-溴丁烷」C-2、C-3的氫原子核被吸走之後，短暫出現的碳陰離子屬於二級碳，比較穩定，會比C-1、C-4失去氫原子核產生的一級碳陰離子穩定，在熱力學上比較有利。

10.  這種朝向製造能量較低、最穩定的烯分子的E2脫去反應，是遵循柴瑟夫法則。

11.  霍夫曼發現法則所進行的實驗是，四級銨鹽quaternary ammonium halides與氧化銀Ag2O的脫去反應，這個脫去反應大量製造出比較不穩定的烯的原因是：

12.  一、四級銨最容易被脫去的「氫原子」位於「氮」上，因為「氮－氫鍵」是極性共價鍵，價電子比較靠近氮，用「碘陰離子」做親核性試劑去碰撞「四級銨」最容易脫去胺基上的「氫原子核」。

13.  二、四級銨與過量的甲基碘ICH₃反應過程中產生的「氮陽離子」，與一大堆「甲基」連接，這對C-3的氫原子們造成另類的立體阻礙；因為若是鹼「氫氧根離子OH^－」想靠近C-3上的氫原子，會遭遇C-2、C-4二個碳原子和氮上的甲基群的阻撓。

14.  「鹼」要搶奪氫原子核，比較有利的位置是「四級銨」頭C-1、尾C-4的氫原子們，而頭端的C-1上的氫原子又更容易，為什麼？

15.  因為四級銨的「氮」是缺電的，它會搶奪周遭原子的電子來彌補，「一號碳C-1」比「四號碳C-4」更接近「氮陽離子」，所以「一號碳C-1」上「氫原子」價電子會被「氮陽離子」拉力拉走，由於「一號碳C-1」的「氫原子」本身已經有些鬆動了，因此只要「鹼」一靠近就會脫離。

16.  教育的「過程」就像分子碰撞進行脫去反應，大型鹼或小型鹼就像各種不同能力的老師，有的老師學問比較高，是大師級人物，有的老師學問比較普通，只能轉述教科書的內容。並不是每一個學生都適合給大師級的人物來教學。

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