当消除反应面临选择时
到现在,消除反应的机理你已经烂熟于心:一个碱拔走一个 β-氢——也就是离去基团“隔壁”那个碳上的氢——与此同时离去基团离去,夹在中间的两个碳折拢成一根碳碳双键。在 E2 里这是在一次反式共平面的合力推挤中完成的;在 E1 里则是分两步、经过一个碳正离子完成的。但前面几篇暂时搁下的那个皱褶在这里冒头了:许多底物有不止一个“不同的”β-碳,各自带着自己的 β-氢。从这个邻居拔,你得到一种烯烃;从那个邻居拔,你得到另一种烯烃。同一个分子、同一个离去基团,两种可能的产物。
当一个反应能给出不止一种结构产物、并且“偏好”其中某一种时,化学家把这种偏好叫做区域选择性——字面意思就是“分子的哪个区域去反应”的选择性。(它的姊妹你已经见过:马氏规则就是加成反应的区域选择性,决定哪个碳得到质子。)消除反应有它自己版本的同一个问题,只是方向反了过来:不是质子落在哪里,而是哪个 β-氢被拔走。本文余下的部分就是答案——以及那个诚实的消息:答案会随你所选的碱而翻转。
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)查依采夫:稳定而拥挤的赢家
默认的答案,在大多数时候都成立,就是查依采夫规则:消除反应偏好取代度“更高”的烯烃——也就是两个双键碳上挂着更多碳基团的那一个。在上面的草图里,拔走左边的 CH2 给出一个三取代烯烃(C=C 上连着三个碳),而那就是主产物。为什么?因为查依采夫规则其实讲的是烯烃稳定性,跟氢压根没多大关系。你往一根双键上多栓一个烷基,它的能量就更低一点——一部分是因为这些邻位 C-H 键会“倾过来”、与 π 键分享电子密度,正是机理那一阶里稳定碳正离子的那同一种超共轭,另一部分则是因为庞大的基团摊开围在一根扁平的双键周围,要比挤在一根单键上更自在。
于是简单烯烃的稳定性阶梯是这样排的:四取代 > 三取代 > 二取代 > 单取代;而任何二取代烯烃的反式(E)型都要比它的顺式(Z)双胞胎稳定一档,因为两个大基团分坐两侧、不会相互磕碰。当两种产物烯烃在赛跑时,能量更低的那一个通常也对应着通往它的、能量更低的过渡态(这是能量图那一篇里讲过的哈蒙德式论证),于是它既生成得更快、又生成得更多。这就是“取代度更高者胜”背后的全部引擎。
霍夫曼:当清瘦的烯烃胜出时
现在是转折。把你的小碱换成一个又大又胖的——最有名的就是叔丁醇钾(((CH3)3CO-K+)),它那三只甲基胳膊把它撑成一个笨拙的巨人——偏好就可能翻转到取代度“更低”的烯烃。这个反过来的结局就是霍夫曼规则。原因并不是什么新的电子学原理;它纯粹是几何,就是你在 SN2 那里见过的、把背面进攻掐死的那同一套位阻故事。查依采夫产物来自拔走一个位于“拥挤的”、取代度更高的 β-碳上的氢——而那个碳本来就已经被一圈烷基团团围住。一个庞大的碱根本挤不进那里。然而它却能轻松够到“最不拥挤的”β-碳上那些孤零零的氢(一个端位 CH3,满是氢又宽敞),于是它优先拔走那些氢,给出取代度更低的烯烃。
通往霍夫曼产物还有第二条、历史上更古老的路:用一个庞大、带电的“离去基团”,而不是庞大的碱。这就是经典的霍夫曼消除:先把一个胺甲基化成季铵盐(-N+(CH3)3),把一个本来毫无希望的离去基团变成一个可用的离去基团。那个三甲铵基硕大无比、还带正电;它把取代度更高的那一侧挤得满满当当、并在电子上偏置整个体系,于是即便用一个普通的碱,也主要给出取代度更低的烯烃。同一个目的地——清瘦的那个烯烃——既可以靠把“碱”做得太大来抵达,也可以靠把“离去基团”做得太大来抵达。无论哪条路,瓶颈都是“在位阻上能不能够到那个 β-氢”。
有意识地操控产物
这是最值得带走的一部分:碱是一个“方向盘”,而不只是一个“开关”。如果你想要查依采夫产物,就去拿一个小巧、紧凑、哪儿都能钻进去的碱——氢氧根(HO-)、乙氧基负离子(CH3CH2O-)或甲氧基负离子——让稳定性来拍板。如果你想要霍夫曼产物,就去拿一个又胖又有位阻的碱——叔丁醇负离子是主力——让几何盖过稳定性。同样的底物、同样的 E2 机理、相反的主产物烯烃,靠的就是你往瓶里丢的是哪个碱来有意地选定。
- 画出底物,把离去基团圈出来。然后找出每一个“不同的”β-碳(每一个与离去基团所在碳直接相连、且至少还带一个氢的碳)。
- 对每一个 β-碳,设想拔走它的一个氢、形成 C=C。把你会得到的烯烃画出来,数一数两个双键碳上各坐着几个碳基团。
- 把这些候选烯烃按稳定性排序:取代度越高越稳定,反式胜过顺式。取代度最高的那个是查依采夫产物;取代度最低的那个是霍夫曼产物。
- 看一眼碱。小碱(或 E1 条件)=> 通常查依采夫占上风。庞大的碱(或像 -N+(CH3)3 这样庞大带电的离去基团)=> 霍夫曼被推到台前。
关于 E1 还有一个诚实的提醒——E1 是经过一个扁平的碳正离子、而非一步到位的 E2。因为质子是在一个“另外的”、更晚的步骤里、从一个已经完全形成的正离子上离去的,决定胜负的因素就纯粹是“正在诞生的那个烯烃”的稳定性了——关键时刻并没有一个庞大的碱在那里挤来挤去。所以 E1 几乎总是给出查依采夫产物,不管碱的大小。查依采夫对霍夫曼这个方向盘其实是一个 E2 现象;在 E1 里,稳定性默认获胜。
诚实的边界,与通往前方的桥
有几条提醒能让这些内容保持诚实、而不只是顺溜好听。第一,这些规则给你的是“主”产物,不是唯一的产物——真实的烧瓶里出来的是混合物,常常是 70:30 或 80:20,而不是 100:0;你预测的是天平往哪边倾,而不是一个干干净净的单一答案。第二,E2 有一个你前面见过的几何要求:β-氢和离去基团必须反式共平面,沿键的两侧对直排开。在刚性的环上,这个要求可能会“逼出”一个非查依采夫产物,仅仅因为那个“正确的”氢在物理上根本进不了反式的位置——这提醒我们,构象可以压过查依采夫和霍夫曼两者。第三,温度也会推一把:总体上更高的热量一般更有利于消除而非取代,这是你将在本阶最后一篇里去拧的一个旋钮。
退一步看,这个图景令人满意。消除反应里的区域选择性并不是一对需要死记硬背的随意名字;它是你早已理解的两股力量之间的一场拔河——热力学稳定性把局面往拥挤的烯烃那边拉,而位阻可及性把局面往开阔的烯烃那边拉。一个小碱让稳定性获胜(查依采夫);一个庞大的碱或庞大的离去基团让可及性获胜(霍夫曼)。这同一股“稳定性对位阻”的张力,曾贯穿 SN2 与 SN1,也将贯穿你下一篇要去摆平的取代-消除四方混战。学会去感受在某个特定烧瓶里哪股力量更大,你就不再是在背规则了——你是在读懂这个分子。