卤化氢与醇的取代反应：HSC 化学
了解醇如何与卤化氢反应生成卤代烷、如何预测产物，以及为什么羟基会以水的形式离去。
假设 2-丙醇与溴化氢 \(\ce{HBr}\) 反应。醇一开始带有 \(\ce{-OH}\) 基团，反应后则变成 \(\ce{-Br}\) 基团。在继续之前，先预测 \(\ce{HBr}\) 中的氢最后会到哪里：连接到碳、连接到溴，还是进入水中？
它最后会进入水中。碳骨架保持不变，溴取代原本由 \(\ce{-OH}\) 占据的位置，而醇中的氧则成为 \(\ce{H2O}\) 的一部分离开。如果你能追踪这些原子的去向，大多数 HSC 关于这个反应的产物预测题都会容易得多。
01第一个实用模型：把 OH 换成卤素
把与 \(\ce{-OH}\) 相连的碳想像成一个座位。在这个反应中，碳保留自己的位置，但坐在座位上的基团改变了：\(\ce{-OH}\) 被卤素取代。
因此：
\[ \ce{ROH + HX -> RX + H2O} \]
其中：
- \(\ce{R}\) 代表碳链的其余部分，
- \(\ce{X}\) 代表卤素，通常是 \(\ce{Cl}\)、\(\ce{Br}\) 或 \(\ce{I}\)，
- \(\ce{ROH}\) 是醇，
- \(\ce{RX}\) 是卤化有机产物。
对一般 HSC 产物预测题而言：
| 试剂 | 取代 \(\ce{-OH}\) 的卤素 | 有机产物 |
|---|---|---|
| \(\ce{HCl}\) | \(\ce{Cl}\) | 氯代烷 |
| \(\ce{HBr}\) | \(\ce{Br}\) | 溴代烷 |
| \(\ce{HI}\) | \(\ce{I}\) | 碘代烷 |
这个反应称为取代反应，因为原本连接在碳上的一个基团被另一个基团取代。
这个「换座位」的图像非常适合用来预测产物。不过，它并不是完整的反应机制。\(\ce{-OH}\) 通常不会直接以 \(\ce{OH^-}\) 的形式脱离。
02为什么 HX 中的氢很重要
你一开始可能会写成：
\[ \ce{ROH + X^- -> RX + OH^-} \]
原子数和电荷都可以配平，所以看起来很合理。然而，从化学角度来看有一个问题：\(\ce{OH^-}\) 是不良的离去基。
离去基是在反应过程中从碳原子离开的原子或基团。氢氧根具有很强的碱性，一般相当不愿意从普通的醇分子中离去。
卤化氢能解决这个问题，因为它们提供 \(\mathrm{H}^{+}\)。醇中的氧可以接受一个质子：
\[ \ce{ROH + H+ -> ROH2+} \]
此时，连接在碳上的基团实际上变成了 \(\ce{-OH2+}\)。如果它离去，就会以中性的水分子形式离开，而不是以 \(\ce{OH^-}\) 形式离开。
因此，整体变化可以表示为：
\[ \ce{ROH2+ + X^- -> RX + H2O} \]
所以，\(\ce{HX}\) 中的氢并不是无关紧要的额外原子。它有助于把不良的离去基转变成好得多的离去基。
可以用一个稍微有点滑稽的比喻来理解：有人不愿意离开派对，因为独自走路回家实在太糟了。但如果有人载他一程，离开突然就容易得多。质子化为氧提供了一条更容易离开的途径：它可以以水的形式离去。
这个比喻的限制在于，分子并不会作决定，而且断键与成键的确切先后顺序取决于醇的结构。对 HSC 产物预测而言，重要的结论更简单：卤素会取代同一个碳上的 \(\ce{-OH}\) 基团。
03一个可靠的产物预测方法
当你看到醇与 \(\ce{HCl}\)、\(\ce{HBr}\) 或 \(\ce{HI}\) 反应时，可以依照以下步骤。
- 找出直接与 \(\ce{-OH}\) 相连的碳原子。
- 确认 \(\ce{HX}\) 中的卤素。
- 保持碳骨架不变。
- 用该卤素取代 \(\ce{-OH}\)。
- 将 \(\ce{H2O}\) 列为另一个产物。
- 根据最终结构为完成的卤代烷命名。不要自动照抄原本醇名称中的编号。
最后一步比你想像中更容易避免错误。醇原本的编号方式是为了让 \(\ce{-OH}\) 基团取得优先的最低位号。一旦 \(\ce{-OH}\) 消失，就必须按照新结构的命名规则重新为产物编号。
例题：1-丙醇与 HBr
写出 1-丙醇与溴化氢反应的配平化学方程式，并命名有机产物。
步骤 1
\(\ce{HBr}\) 提供溴，因此 \(\ce{-OH}\) 会被 \(\ce{-Br}\) 取代。
步骤 2
1-丙醇为：
\[ \ce{CH3CH2CH2OH} \]
\(\ce{-OH}\) 基团位于末端碳原子上。
步骤 3
有机产物为：
\[ \ce{CH3CH2CH2Br} \]
步骤 4
\[ \ce{CH3CH2CH2OH + HBr -> CH3CH2CH2Br + H2O} \]
步骤 5
产物是 1-溴丙烷。
碳链没有改变。唯一的变化是连接在碳 1 上的基团由 \(\ce{-OH}\) 变成 \(\ce{-Br}\)。
04不要把取代反应与脱水反应混淆
醇也可以失去水而形成烯烃。那是消除反应，而不是我们这里研究的取代反应。
比较以下两种模式：
\[ \text{醇} + \ce{HX} \rightarrow \text{卤代烷} + \ce{H2O} \]
以及
\[ \text{醇} \rightarrow \text{烯烃} + \ce{H2O} \]
在取代反应中，卤素取代 \(\ce{-OH}\) 的位置。在脱水反应中，会从相邻的碳原子移除原子，使碳-碳双键得以形成。
因此，试剂和反应条件都很重要。只看到「醇」和「酸」并不足以自动判断会形成烯烃。如果试剂是像 \(\ce{HBr}\) 这样的卤化氢，HSC 通常预期的是取代反应。如果你需要仔细区分这两种反应模式，请参阅 tutorgum 的醇的脱水反应指南。
05根据结构命名产物
以下是一个更有挑战性的例子。
例题：需要重新编号的产物
4-溴-2-戊醇与氯化氢反应。写出方程式，并给出有机产物的 IUPAC 名称。
步骤 1
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH(Br)CH3} \]
步骤 2
试剂是 \(\ce{HCl}\)，因此 \(\ce{-OH}\) 基团会被 \(\ce{-Cl}\) 取代。
\[ \ce{CH3CH(Cl)CH2CH(Br)CH3} \]
步骤 3
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH(Br)CH3 + HCl -> CH3CH(Cl)CH2CH(Br)CH3 + H2O} \]
步骤 4
从其中一端开始编号，氯取代基在碳 2，溴取代基在碳 4。
从另一端开始编号，溴取代基在碳 2，氯取代基在碳 4。
两个方向都得到相同的位号组合 \(2,4\)。在这种平手情况下，按字母顺序较先出现的取代基取得较小的位号。”Bromo” 排在 “chloro” 之前。
因此，产物是 2-溴-4-氯戊烷。
注意这里发生了什么：发生取代反应的那个碳原子并没有移动，但它在最终 IUPAC 名称中的编号改变了。预测反应产物和为化合物命名是两项不同的工作。
06简单方程式没有显示的内容
方程式
\[ \ce{ROH + HX -> RX + H2O} \]
告诉你整体的化学变化，但它不会告诉你每一种醇的反应速度，也不会告诉你基本反应步骤的确切顺序。
不同结构的醇可以透过略有不同的微观途径发生取代反应。在某些情况下，卤离子的进攻与水的离去紧密相连。在另一些情况下，水可能先离去，之后卤离子才形成新的化学键。
要预测标准 HSC 题目的产物，你不需要假装这些反应途径完全相同。它们共同面对的化学问题是一样的：原本的 \(\ce{-OH}\) 基团是不良的离去基，因此酸性条件会把它转变成能以水的形式离去的基团。
实际反应速率也有所不同。对许多醇而言，\(\ce{HCl}\) 一般不如 \(\ce{HBr}\) 或 \(\ce{HI}\) 有效，可能需要更强烈的反应条件，或使用例如 \(\ce{ZnCl2}\) 的催化剂。不过，如果 HSC 题目明确指出某种醇与 \(\ce{HCl}\) 反应，产物预测规则仍然是：用 \(\ce{-Cl}\) 取代 \(\ce{-OH}\)，除非题目提供了其他资讯指出情况不同。
07最容易犯的错误
一个常见错误是把 H 和 X 都加到碳骨架上。这相当于把 \(\ce{HX}\) 当成是在双键上发生加成反应。但这里并没有碳-碳双键。氢帮助形成水；卤素则连接到碳上。
另一个错误是删掉 \(\ce{-OH}\) 之后忘记写 \(\ce{H2O}\)。如果题目要求完整的分子方程式，就必须写出水，才能交代氢原子和氧原子的去向。
第三个错误是为了让名称看起来更顺眼，而把卤素移到另一个碳原子上。反应化学优先于命名。先把 X 放到原本带有 \(\ce{-OH}\) 的那个碳上，再为你实际形成的结构命名。
最后，不要假设只靠 \(\mathrm{Br}^{-}\) 就能让醇容易发生反应。\(\ce{HBr}\) 中的酸性部分有一个重要作用：它活化 \(\ce{-OH}\) 基团，使其能以水的形式离去。
08问题与解答
问题 1
1-戊醇与碘化氢反应。
写出该反应的配平方程式，并命名有机产物。
解答 1
产物是 1-碘戊烷，另一个产物是水。
碘化氢为取代反应提供碘。1-戊醇的 \(\ce{-OH}\) 基团位于碳 1，因此碘会在同一个碳上取代该基团：
\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH + HI -> CH3CH2CH2CH2CH2I + H2O} \]
一个很容易犯的错误是把 H 和 I 加到不同的碳原子上。那会是加成反应的模式。这里进行的是取代反应：碳骨架保持不变，\(\ce{-I}\) 取代 \(\ce{-OH}\)。
问题 2
3-甲基-2-丁醇与溴化氢反应。
写出有机产物的缩合结构式、完整方程式，并给出产物的 IUPAC 名称。
解答 2
有机产物是 2-溴-3-甲基丁烷。
起始醇为：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3} \]
\(\ce{-OH}\) 基团与碳 2 相连。因此，溴化氢会用溴取代该基团：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3 + HBr -> CH3CH(Br)CH(CH3)CH3 + H2O} \]
产物结构为：
\[ \ce{CH3CH(Br)CH(CH3)CH3} \]
命名时，最长碳链含有四个碳原子。编号后，溴和甲基取代基分别位于碳 2 和碳 3。两种编号方向都会得到位号组合 \(2,3\)，因此按字母顺序作为平手时的判定规则，让 bromo 取得较小的位号。
所以名称为 2-溴-3-甲基丁烷。
一个容易走错的思路是：因为产物需要新的名称，所以碳骨架可能发生了重排。事实并非如此。在这个标准取代反应题中，只有连接在醇碳上的基团发生改变。
问题 3
某份乙醇样本中的氧原子以同位素 \(^{18}\mathrm{O}\) 标记。这份标记乙醇与过量 \(\ce{HBr}\) 完全反应。
溴原子和氢原子具有其通常的同位素组成。
哪一个反应产物含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 原子？请透过追踪相关化学键来解释你的答案。
解答 3
原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 原子最后会进入水中，而不是留在溴乙烷中。
取代反应把乙醇转变成溴乙烷：
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
关键的键结变化是：醇中的碳-氧键被打断，同时形成碳-溴键。醇中的氧被质子化，之后可以和氢一起以水的形式离去。
因此，水这个产物含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\)。
一个容易产生的错误预测是：因为氧一开始位于乙醇分子内，所以它可能会以某种方式继续留在有机分子中。但是有机产物溴乙烷完全不含氧。根据原子守恒，带标记的氧因此必须进入水这个产物。
这也是检查反应方程式是否合理反映反应机制的一种有效方法：追踪个别原子，而不是把官能基当成会凭空消失的标签。
问题 4
一名学生比较以下两个涉及乙醇的假设反应：
\[ \ce{CH3CH2OH + Br^- -> CH3CH2Br + OH^-} \]
以及
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
学生认为第一个反应应该同样有效，因为它已经配平，而且已经含有所需的溴离子。
解释为什么这个结论在化学上有问题。然后预测在一般条件下，把乙醇与中性的 \(\ce{NaBr}\) 水溶液混合，是否应该容易产生 1-溴乙烷。
解答 4
在一般条件下，中性 \(\ce{NaBr}\) 水溶液不应该容易把乙醇转变成 1-溴乙烷，因为只有溴离子并不能解决主要问题：\(\ce{-OH}\) 是不良的离去基。
第一个假设方程式的确已经配平：
\[ \ce{CH3CH2OH + Br^- -> CH3CH2Br + OH^-} \]
但方程式配平并不代表它必然是一条化学上有利的反应途径。这条途径要求醇的 \(\ce{-OH}\) 基团以 \(\ce{OH^-}\) 的形式离去，而 \(\ce{OH^-}\) 具有很强的碱性，一般是不良的离去基。
在 \(\ce{HBr}\) 中，酸性的氢会改变情况。一个有用的第一步是：
\[ \ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+} \]
接著，氧可以以中性水分子的形式离去，同时溴离子形成碳-溴键。整体反应为：
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
那个看似合理但错误的论点只注意到 \(\mathrm{Br}^{-}\) 的存在。溴离子的确是形成新碳键的物种，但成功的取代反应同样需要原本的基团能够离去。酸之所以重要，是因为它把不良的离去基转变成水。
这就是为什么理解反应方程式不只需要数原子，还需要化学推理。
问题 5
一份 2-丙醇样本只在其 \(\ce{-OH}\) 基团的氧原子中含有 \(^{18}\mathrm{O}\)。假设在以下反应发生之前不存在同位素交换。
把样本分成两份。
在途径 A 中，带标记的 2-丙醇与 \(\ce{HBr}\) 完全反应。分离出有机产物后，再使其与过量的 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反应，而该溶液中的氧为普通的 \(^{16}\mathrm{O}\)。
在途径 B 中，带标记的 2-丙醇在能使其脱水生成丙烯和水的条件下加热。
对每条途径：
- 说明第一次反应后，原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 位于何处。
- 对途径 A，说明与 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反应后形成的 2-丙醇是否含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\)。
- 解释为什么同位素证据可以区分「原子守恒」与「官能基只是变回去」这两种概念。
解答 5
在两条途径中，原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 都会以水的形式离开有机分子。在途径 A 中，之后透过水解重新形成的 2-丙醇不会取回原本带标记的氧。
对途径 A 而言，第一次反应是取代反应：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH3 + HBr -> CH3CH(Br)CH3 + H2O} \]
碳-氧键被打断，原本醇中的氧以水的一部分离去。因此，\(^{18}\mathrm{O}\) 位于该水分子中。
分离出的 2-溴丙烷不含任何来自原始醇的氧。
当 2-溴丙烷接著与 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反应时，又重新形成碳-氧键：
\[ \ce{CH3CH(Br)CH3 + OH^- -> CH3CH(OH)CH3 + Br^-} \]
根据题目的假设，水溶液试剂含有普通的 \(^{16}\mathrm{O}\)，因此新形成的 2-丙醇中所加入的氧来自新的水溶液环境，而不是来自原本的醇。原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 已经以水的形式离去。
对途径 B 而言，脱水反应生成丙烯和水：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH3 -> CH3CH=CH2 + H2O} \]
同样地，有机产物不含氧，因此原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 必须位于脱水过程中形成的水中。
一个很容易产生的错误想法是：因为途径 A 的起点和终点都是 2-丙醇，所以它似乎把同一个 \(\ce{-OH}\) 基团「变回来」了。从结构上看，起始和最终的有机分子确实可以是同一种化合物。然而，逐个原子来看，它们不一定是完全相同的分子。第一个氧已经离去，而之后加入的是另一个氧原子。
这正是取代反应方程式更深层的价值：它们不只是把官能基名称互相转换的操作方法。它们让你追踪哪些键被打断、哪些键形成，以及每一个原子实际上可能移动到哪里。
09这个概念接下来会带你到哪里
一旦你能可靠地预测醇的取代反应，就可以开始追踪反应途径，而不是把每一条方程式彼此孤立地看待。醇可以转化为卤代烷，而该卤代烷之后还可以进一步进行取代反应或消除反应。
原本带有 \(\ce{-OH}\) 基团的那个碳原子通常仍是重要的参考位置，但试剂决定下一步会发生什么。使用 \(\ce{HX}\) 时，该位置会发生取代反应。在脱水条件下，则会从相邻位置移除原子，并形成双键。能够分辨这两种模式，是从背诵彼此孤立的方程式进一步提升到预测多步骤 HSC 有机反应途径的下一步。