當消除反應面臨選擇時
到現在,消除反應的機理你已經爛熟於心:一個鹼拔走一個 β-氫——也就是離去基團「隔壁」那個碳上的氫——與此同時離去基團離去,夾在中間的兩個碳折攏成一根碳碳雙鍵。在 E2 裡這是在一次反式共平面的合力推擠中完成的;在 E1 裡則是分兩步、經過一個碳正離子完成的。但前面幾篇暫時擱下的那個皺褶在這裡冒頭了:許多底物有不止一個「不同的」β-碳,各自帶著自己的 β-氫。從這個鄰居拔,你得到一種烯烴;從那個鄰居拔,你得到另一種烯烃。同一個分子、同一個離去基團,兩種可能的產物。
當一個反應能給出不止一種結構產物、並且「偏好」其中某一種時,化學家把這種偏好叫做區域選擇性——字面意思就是「分子的哪個區域去反應」的選擇性。(它的姊妹你已經見過:馬氏規則就是加成反應的區域選擇性,決定哪個碳得到質子。)消除反應有它自己版本的同一個問題,只是方向反了過來:不是質子落在哪裡,而是哪個 β-氫被拔走。本文餘下的部分就是答案——以及那個誠實的消息:答案會隨你所選的鹼而翻轉。
CH3 base plucks a beta-H...
| ...from the LEFT neighbour or the RIGHT?
CH3 - CH2 - C - CH3
|
Br <- leaving group
pluck LEFT (CH2) -> CH3-CH=C(CH3)-CH3 trisubstituted (Zaitsev, more stable)
pluck RIGHT (CH3) -> CH2=C(CH3)-CH2-CH3 disubstituted (Hofmann, less stable)查依採夫:穩定而擁擠的贏家
預設的答案,在大多數時候都成立,就是查依採夫規則:消除反應偏好取代度「更高」的烯烃——也就是兩個雙鍵碳上掛著更多碳基團的那一個。在上面的草圖裡,拔走左邊的 CH2 給出一個三取代烯烃(C=C 上連著三個碳),而那就是主產物。為什麼?因為查依採夫規則其實講的是烯烴穩定性,跟氫壓根沒多大關係。你往一根雙鍵上多栓一個烷基,它的能量就更低一點——一部分是因為這些鄰位 C-H 鍵會「傾過來」、與 π 鍵分享電子密度,正是機理那一階裡穩定碳正離子的那同一種超共軛,另一部分則是因為龐大的基團攤開圍在一根扁平的雙鍵周圍,要比擠在一根單鍵上更自在。
於是簡單烯烃的穩定性階梯是這樣排的:四取代 > 三取代 > 二取代 > 單取代;而任何二取代烯烃的反式(E)型都要比它的順式(Z)雙胞胎穩定一檔,因為兩個大基團分坐兩側、不會相互磕碰。當兩種產物烯烃在賽跑時,能量更低的那一個通常也對應著通往它的、能量更低的過渡態(這是能量圖那一篇裡講過的哈蒙德式論證),於是它既生成得更快、又生成得更多。這就是「取代度更高者勝」背後的全部引擎。
霍夫曼:當清瘦的烯烴勝出時
現在是轉折。把你的小鹼換成一個又大又胖的——最有名的就是叔丁醇鉀(((CH3)3CO-K+)),它那三隻甲基胳膊把它撐成一個笨拙的巨人——偏好就可能翻轉到取代度「更低」的烯烃。這個反過來的結局就是霍夫曼規則。原因並不是什麼新的電子學原理;它純粹是幾何,就是你在 SN2 那裡見過的、把背面進攻掐死的那同一套位阻故事。查依採夫產物來自拔走一個位於「擁擠的」、取代度更高的 β-碳上的氫——而那個碳本來就已經被一圈烷基團團圍住。一個龐大的鹼根本擠不進那裡。然而它卻能輕鬆夠到「最不擁擠的」β-碳上那些孤零零的氫(一個端位 CH3,滿是氫又寬敞),於是它優先拔走那些氫,給出取代度更低的烯烃。
通往霍夫曼產物還有第二條、歷史上更古老的路:用一個龐大、帶電的「離去基團」,而不是龐大的鹼。這就是經典的霍夫曼消除:先把一個胺甲基化成季銨鹽(-N+(CH3)3),把一個本來毫無希望的離去基團變成一個可用的離去基團。那個三甲銨基碩大無比、還帶正電;它把取代度更高的那一側擠得滿滿當當、並在電子上偏置整個體系,於是即便用一個普通的鹼,也主要給出取代度更低的烯烃。同一個目的地——清瘦的那個烯烃——既可以靠把「鹼」做得太大來抵達,也可以靠把「離去基團」做得太大來抵達。無論哪條路,瓶頸都是「在位阻上能不能夠到那個 β-氫」。
有意識地操控產物
這是最值得帶走的一部分:鹼是一個「方向盤」,而不只是一個「開關」。如果你想要查依採夫產物,就去拿一個小巧、緊湊、哪兒都能鑽進去的鹼——氫氧根(HO-)、乙氧基負離子(CH3CH2O-)或甲氧基負離子——讓穩定性來拍板。如果你想要霍夫曼產物,就去拿一個又胖又有位阻的鹼——叔丁醇負離子是主力——讓幾何蓋過穩定性。同樣的底物、同樣的 E2 機理、相反的主產物烯烃,靠的就是你往瓶裡丟的是哪個鹼來有意地選定。
- 畫出底物,把離去基團圈出來。然後找出每一個「不同的」β-碳(每一個與離去基團所在碳直接相連、且至少還帶一個氫的碳)。
- 對每一個 β-碳,設想拔走它的一個氫、形成 C=C。把你會得到的烯烃畫出來,數一數兩個雙鍵碳上各坐著幾個碳基團。
- 把這些候選烯烃按穩定性排序:取代度越高越穩定,反式勝過順式。取代度最高的那個是查依採夫產物;取代度最低的那個是霍夫曼產物。
- 看一眼鹼。小鹼(或 E1 條件)=> 通常查依採夫佔上風。龐大的鹼(或像 -N+(CH3)3 這樣龐大帶電的離去基團)=> 霍夫曼被推到檯前。
關於 E1 還有一個誠實的提醒——E1 是經過一個扁平的碳正離子、而非一步到位的 E2。因為質子是在一個「另外的」、更晚的步驟裡、從一個已經完全形成的正離子上離去的,決定勝負的因素就純粹是「正在誕生的那個烯烃」的穩定性了——關鍵時刻並沒有一個龐大的鹼在那裡擠來擠去。所以 E1 幾乎總是給出查依採夫產物,不管鹼的大小。查依採夫對霍夫曼這個方向盤其實是一個 E2 現象;在 E1 裡,穩定性預設獲勝。
誠實的邊界,與通往前方的橋
有幾條提醒能讓這些內容保持誠實、而不只是順溜好聽。第一,這些規則給你的是「主」產物,不是唯一的產物——真實的燒瓶裡出來的是混合物,常常是 70:30 或 80:20,而不是 100:0;你預測的是天平往哪邊傾,而不是一個乾乾淨淨的單一答案。第二,E2 有一個你前面見過的幾何要求:β-氫和離去基團必須反式共平面,沿鍵的兩側對直排開。在剛性的環上,這個要求可能會「逼出」一個非查依採夫產物,僅僅因為那個「正確的」氫在物理上根本進不了反式的位置——這提醒我們,構象可以壓過查依採夫和霍夫曼兩者。第三,溫度也會推一把:總體上更高的熱量一般更有利於消除而非取代,這是你將在本階最後一篇裡去擰的一個旋鈕。
退一步看,這個圖景令人滿意。消除反應裡的區域選擇性並不是一對需要死記硬背的隨意名字;它是你早已理解的兩股力量之間的一場拔河——熱力學穩定性把局面往擁擠的烯烃那邊拉,而位阻可及性把局面往開闊的烯烃那邊拉。一個小鹼讓穩定性獲勝(查依採夫);一個龐大的鹼或龐大的離去基團讓可及性獲勝(霍夫曼)。這同一股「穩定性對位阻」的張力,曾貫穿 SN2 與 SN1,也將貫穿你下一篇要去擺平的取代-消除四方混戰。學會去感受在某個特定燒瓶裡哪股力量更大,你就不再是在背規則了——你是在讀懂這個分子。