鹵化氫與醇的取代反應：HSC 化學
了解醇如何與鹵化氫反應生成鹵代烷、如何預測產物，以及為什麼羥基會以水的形式離去。
假設 2-丙醇與溴化氫 \(\ce{HBr}\) 反應。醇一開始帶有 \(\ce{-OH}\) 基團，反應後則變成 \(\ce{-Br}\) 基團。在繼續之前，先預測 \(\ce{HBr}\) 中的氫最後會到哪裡：連接到碳、連接到溴，還是進入水中？
它最後會進入水中。碳骨架保持不變，溴取代原本由 \(\ce{-OH}\) 佔據的位置，而醇中的氧則成為 \(\ce{H2O}\) 的一部分離開。如果你能追蹤這些原子的去向，大多數 HSC 關於這個反應的產物預測題都會容易得多。
01第一個實用模型：把 OH 換成鹵素
把與 \(\ce{-OH}\) 相連的碳想像成一個座位。在這個反應中，碳保留自己的位置，但坐在座位上的基團改變了：\(\ce{-OH}\) 被鹵素取代。
因此：
\[ \ce{ROH + HX -> RX + H2O} \]
其中：
- \(\ce{R}\) 代表碳鏈的其餘部分，
- \(\ce{X}\) 代表鹵素，通常是 \(\ce{Cl}\)、\(\ce{Br}\) 或 \(\ce{I}\)，
- \(\ce{ROH}\) 是醇，
- \(\ce{RX}\) 是鹵化有機產物。
對一般 HSC 產物預測題而言：
| 試劑 | 取代 \(\ce{-OH}\) 的鹵素 | 有機產物 |
|---|---|---|
| \(\ce{HCl}\) | \(\ce{Cl}\) | 氯代烷 |
| \(\ce{HBr}\) | \(\ce{Br}\) | 溴代烷 |
| \(\ce{HI}\) | \(\ce{I}\) | 碘代烷 |
這個反應稱為取代反應，因為原本連接在碳上的一個基團被另一個基團取代。
這個「換座位」的圖像非常適合用來預測產物。不過，它並不是完整的反應機制。\(\ce{-OH}\) 通常不會直接以 \(\ce{OH^-}\) 的形式脫離。
02為什麼 HX 中的氫很重要
你一開始可能會寫成：
\[ \ce{ROH + X^- -> RX + OH^-} \]
原子數和電荷都可以配平，所以看起來很合理。然而，從化學角度來看有一個問題：\(\ce{OH^-}\) 是不良的離去基。
離去基是在反應過程中從碳原子離開的原子或基團。氫氧根具有很強的鹼性，一般相當不願意從普通的醇分子中離去。
鹵化氫能解決這個問題，因為它們提供 \(\mathrm{H}^{+}\)。醇中的氧可以接受一個質子：
\[ \ce{ROH + H+ -> ROH2+} \]
此時，連接在碳上的基團實際上變成了 \(\ce{-OH2+}\)。如果它離去，就會以中性的水分子形式離開，而不是以 \(\ce{OH^-}\) 形式離開。
因此，整體變化可以表示為：
\[ \ce{ROH2+ + X^- -> RX + H2O} \]
所以，\(\ce{HX}\) 中的氫並不是無關緊要的額外原子。它有助於把不良的離去基轉變成好得多的離去基。
可以用一個稍微有點滑稽的比喻來理解：有人不願意離開派對，因為獨自走路回家實在太糟了。但如果有人載他一程，離開突然就容易得多。質子化為氧提供了一條更容易離開的途徑：它可以以水的形式離去。
這個比喻的限制在於，分子並不會作決定，而且斷鍵與成鍵的確切先後順序取決於醇的結構。對 HSC 產物預測而言，重要的結論更簡單：鹵素會取代同一個碳上的 \(\ce{-OH}\) 基團。
03一個可靠的產物預測方法
當你看到醇與 \(\ce{HCl}\)、\(\ce{HBr}\) 或 \(\ce{HI}\) 反應時，可以依照以下步驟。
- 找出直接與 \(\ce{-OH}\) 相連的碳原子。
- 確認 \(\ce{HX}\) 中的鹵素。
- 保持碳骨架不變。
- 用該鹵素取代 \(\ce{-OH}\)。
- 將 \(\ce{H2O}\) 列為另一個產物。
- 根據最終結構為完成的鹵代烷命名。不要自動照抄原本醇名稱中的編號。
最後一步比你想像中更容易避免錯誤。醇原本的編號方式是為了讓 \(\ce{-OH}\) 基團取得優先的最低位號。一旦 \(\ce{-OH}\) 消失，就必須按照新結構的命名規則重新為產物編號。
例題：1-丙醇與 HBr
寫出 1-丙醇與溴化氫反應的配平化學方程式，並命名有機產物。
步驟 1
\(\ce{HBr}\) 提供溴，因此 \(\ce{-OH}\) 會被 \(\ce{-Br}\) 取代。
步驟 2
1-丙醇為：
\[ \ce{CH3CH2CH2OH} \]
\(\ce{-OH}\) 基團位於末端碳原子上。
步驟 3
有機產物為：
\[ \ce{CH3CH2CH2Br} \]
步驟 4
\[ \ce{CH3CH2CH2OH + HBr -> CH3CH2CH2Br + H2O} \]
步驟 5
產物是 1-溴丙烷。
碳鏈沒有改變。唯一的變化是連接在碳 1 上的基團由 \(\ce{-OH}\) 變成 \(\ce{-Br}\)。
04不要把取代反應與脫水反應混淆
醇也可以失去水而形成烯烴。那是消除反應，而不是我們這裡研究的取代反應。
比較以下兩種模式：
\[ \text{醇} + \ce{HX} \rightarrow \text{鹵代烷} + \ce{H2O} \]
以及
\[ \text{醇} \rightarrow \text{烯烴} + \ce{H2O} \]
在取代反應中，鹵素取代 \(\ce{-OH}\) 的位置。在脫水反應中，會從相鄰的碳原子移除原子，使碳-碳雙鍵得以形成。
因此，試劑和反應條件都很重要。只看到「醇」和「酸」並不足以自動判斷會形成烯烴。如果試劑是像 \(\ce{HBr}\) 這樣的鹵化氫，HSC 通常預期的是取代反應。如果你需要仔細區分這兩種反應模式，請參閱 tutorgum 的醇的脫水反應指南。
05根據結構命名產物
以下是一個更有挑戰性的例子。
例題：需要重新編號的產物
4-溴-2-戊醇與氯化氫反應。寫出方程式，並給出有機產物的 IUPAC 名稱。
步驟 1
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH(Br)CH3} \]
步驟 2
試劑是 \(\ce{HCl}\)，因此 \(\ce{-OH}\) 基團會被 \(\ce{-Cl}\) 取代。
\[ \ce{CH3CH(Cl)CH2CH(Br)CH3} \]
步驟 3
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH(Br)CH3 + HCl -> CH3CH(Cl)CH2CH(Br)CH3 + H2O} \]
步驟 4
從其中一端開始編號，氯取代基在碳 2，溴取代基在碳 4。
從另一端開始編號，溴取代基在碳 2，氯取代基在碳 4。
兩個方向都得到相同的位號組合 \(2,4\)。在這種平手情況下，按字母順序較先出現的取代基取得較小的位號。”Bromo” 排在 “chloro” 之前。
因此，產物是 2-溴-4-氯戊烷。
注意這裡發生了什麼：發生取代反應的那個碳原子並沒有移動，但它在最終 IUPAC 名稱中的編號改變了。預測反應產物和為化合物命名是兩項不同的工作。
06簡單方程式沒有顯示的內容
方程式
\[ \ce{ROH + HX -> RX + H2O} \]
告訴你整體的化學變化，但它不會告訴你每一種醇的反應速度，也不會告訴你基本反應步驟的確切順序。
不同結構的醇可以透過略有不同的微觀途徑發生取代反應。在某些情況下，鹵離子的進攻與水的離去緊密相連。在另一些情況下，水可能先離去，之後鹵離子才形成新的化學鍵。
要預測標準 HSC 題目的產物，你不需要假裝這些反應途徑完全相同。它們共同面對的化學問題是一樣的：原本的 \(\ce{-OH}\) 基團是不良的離去基，因此酸性條件會把它轉變成能以水的形式離去的基團。
實際反應速率也有所不同。對許多醇而言，\(\ce{HCl}\) 一般不如 \(\ce{HBr}\) 或 \(\ce{HI}\) 有效，可能需要更強烈的反應條件，或使用例如 \(\ce{ZnCl2}\) 的催化劑。不過，如果 HSC 題目明確指出某種醇與 \(\ce{HCl}\) 反應，產物預測規則仍然是：用 \(\ce{-Cl}\) 取代 \(\ce{-OH}\)，除非題目提供了其他資訊指出情況不同。
07最容易犯的錯誤
一個常見錯誤是把 H 和 X 都加到碳骨架上。這相當於把 \(\ce{HX}\) 當成是在雙鍵上發生加成反應。但這裡並沒有碳-碳雙鍵。氫幫助形成水；鹵素則連接到碳上。
另一個錯誤是刪掉 \(\ce{-OH}\) 之後忘記寫 \(\ce{H2O}\)。如果題目要求完整的分子方程式，就必須寫出水，才能交代氫原子和氧原子的去向。
第三個錯誤是為了讓名稱看起來更順眼，而把鹵素移到另一個碳原子上。反應化學優先於命名。先把 X 放到原本帶有 \(\ce{-OH}\) 的那個碳上，再為你實際形成的結構命名。
最後，不要假設只靠 \(\mathrm{Br}^{-}\) 就能讓醇容易發生反應。\(\ce{HBr}\) 中的酸性部分有一個重要作用：它活化 \(\ce{-OH}\) 基團，使其能以水的形式離去。
08問題與解答
問題 1
1-戊醇與碘化氫反應。
寫出該反應的配平方程式，並命名有機產物。
解答 1
產物是 1-碘戊烷，另一個產物是水。
碘化氫為取代反應提供碘。1-戊醇的 \(\ce{-OH}\) 基團位於碳 1，因此碘會在同一個碳上取代該基團：
\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH + HI -> CH3CH2CH2CH2CH2I + H2O} \]
一個很容易犯的錯誤是把 H 和 I 加到不同的碳原子上。那會是加成反應的模式。這裡進行的是取代反應：碳骨架保持不變，\(\ce{-I}\) 取代 \(\ce{-OH}\)。
問題 2
3-甲基-2-丁醇與溴化氫反應。
寫出有機產物的縮合結構式、完整方程式，並給出產物的 IUPAC 名稱。
解答 2
有機產物是 2-溴-3-甲基丁烷。
起始醇為：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3} \]
\(\ce{-OH}\) 基團與碳 2 相連。因此，溴化氫會用溴取代該基團：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3 + HBr -> CH3CH(Br)CH(CH3)CH3 + H2O} \]
產物結構為：
\[ \ce{CH3CH(Br)CH(CH3)CH3} \]
命名時，最長碳鏈含有四個碳原子。編號後，溴和甲基取代基分別位於碳 2 和碳 3。兩種編號方向都會得到位號組合 \(2,3\)，因此按字母順序作為平手時的判定規則，讓 bromo 取得較小的位號。
所以名稱為 2-溴-3-甲基丁烷。
一個容易走錯的思路是：因為產物需要新的名稱，所以碳骨架可能發生了重排。事實並非如此。在這個標準取代反應題中，只有連接在醇碳上的基團發生改變。
問題 3
某份乙醇樣本中的氧原子以同位素 \(^{18}\mathrm{O}\) 標記。這份標記乙醇與過量 \(\ce{HBr}\) 完全反應。
溴原子和氫原子具有其通常的同位素組成。
哪一個反應產物含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 原子？請透過追蹤相關化學鍵來解釋你的答案。
解答 3
原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 原子最後會進入水中，而不是留在溴乙烷中。
取代反應把乙醇轉變成溴乙烷：
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
關鍵的鍵結變化是：醇中的碳-氧鍵被打斷，同時形成碳-溴鍵。醇中的氧被質子化，之後可以和氫一起以水的形式離去。
因此，水這個產物含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\)。
一個容易產生的錯誤預測是：因為氧一開始位於乙醇分子內，所以它可能會以某種方式繼續留在有機分子中。但是有機產物溴乙烷完全不含氧。根據原子守恆，帶標記的氧因此必須進入水這個產物。
這也是檢查反應方程式是否合理反映反應機制的一種有效方法：追蹤個別原子，而不是把官能基當成會憑空消失的標籤。
問題 4
一名學生比較以下兩個涉及乙醇的假設反應：
\[ \ce{CH3CH2OH + Br^- -> CH3CH2Br + OH^-} \]
以及
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
學生認為第一個反應應該同樣有效，因為它已經配平，而且已經含有所需的溴離子。
解釋為什麼這個結論在化學上有問題。然後預測在一般條件下，把乙醇與中性的 \(\ce{NaBr}\) 水溶液混合，是否應該容易產生 1-溴乙烷。
解答 4
在一般條件下，中性 \(\ce{NaBr}\) 水溶液不應該容易把乙醇轉變成 1-溴乙烷，因為只有溴離子並不能解決主要問題：\(\ce{-OH}\) 是不良的離去基。
第一個假設方程式的確已經配平：
\[ \ce{CH3CH2OH + Br^- -> CH3CH2Br + OH^-} \]
但方程式配平並不代表它必然是一條化學上有利的反應途徑。這條途徑要求醇的 \(\ce{-OH}\) 基團以 \(\ce{OH^-}\) 的形式離去，而 \(\ce{OH^-}\) 具有很強的鹼性，一般是不良的離去基。
在 \(\ce{HBr}\) 中，酸性的氫會改變情況。一個有用的第一步是：
\[ \ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+} \]
接著，氧可以以中性水分子的形式離去，同時溴離子形成碳-溴鍵。整體反應為：
\[ \ce{CH3CH2OH + HBr -> CH3CH2Br + H2O} \]
那個看似合理但錯誤的論點只注意到 \(\mathrm{Br}^{-}\) 的存在。溴離子的確是形成新碳鍵的物種，但成功的取代反應同樣需要原本的基團能夠離去。酸之所以重要，是因為它把不良的離去基轉變成水。
這就是為什麼理解反應方程式不只需要數原子，還需要化學推理。
問題 5
一份 2-丙醇樣本只在其 \(\ce{-OH}\) 基團的氧原子中含有 \(^{18}\mathrm{O}\)。假設在以下反應發生之前不存在同位素交換。
把樣本分成兩份。
在途徑 A 中，帶標記的 2-丙醇與 \(\ce{HBr}\) 完全反應。分離出有機產物後，再使其與過量的 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反應，而該溶液中的氧為普通的 \(^{16}\mathrm{O}\)。
在途徑 B 中，帶標記的 2-丙醇在能使其脫水生成丙烯和水的條件下加熱。
對每條途徑：
- 說明第一次反應後，原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 位於何處。
- 對途徑 A，說明與 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反應後形成的 2-丙醇是否含有原本的 \(^{18}\mathrm{O}\)。
- 解釋為什麼同位素證據可以區分「原子守恆」與「官能基只是變回去」這兩種概念。
解答 5
在兩條途徑中，原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 都會以水的形式離開有機分子。在途徑 A 中，之後透過水解重新形成的 2-丙醇不會取回原本帶標記的氧。
對途徑 A 而言，第一次反應是取代反應：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH3 + HBr -> CH3CH(Br)CH3 + H2O} \]
碳-氧鍵被打斷，原本醇中的氧以水的一部分離去。因此，\(^{18}\mathrm{O}\) 位於該水分子中。
分離出的 2-溴丙烷不含任何來自原始醇的氧。
當 2-溴丙烷接著與 \(\ce{NaOH}\) 水溶液反應時，又重新形成碳-氧鍵：
\[ \ce{CH3CH(Br)CH3 + OH^- -> CH3CH(OH)CH3 + Br^-} \]
根據題目的假設，水溶液試劑含有普通的 \(^{16}\mathrm{O}\)，因此新形成的 2-丙醇中所加入的氧來自新的水溶液環境，而不是來自原本的醇。原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 已經以水的形式離去。
對途徑 B 而言，脫水反應生成丙烯和水：
\[ \ce{CH3CH(OH)CH3 -> CH3CH=CH2 + H2O} \]
同樣地，有機產物不含氧，因此原本的 \(^{18}\mathrm{O}\) 必須位於脫水過程中形成的水中。
一個很容易產生的錯誤想法是：因為途徑 A 的起點和終點都是 2-丙醇，所以它似乎把同一個 \(\ce{-OH}\) 基團「變回來」了。從結構上看，起始和最終的有機分子確實可以是同一種化合物。然而，逐個原子來看，它們不一定是完全相同的分子。第一個氧已經離去，而之後加入的是另一個氧原子。
這正是取代反應方程式更深層的價值：它們不只是把官能基名稱互相轉換的操作方法。它們讓你追蹤哪些鍵被打斷、哪些鍵形成，以及每一個原子實際上可能移動到哪裡。
09這個概念接下來會帶你到哪裡
一旦你能可靠地預測醇的取代反應，就可以開始追蹤反應途徑，而不是把每一條方程式彼此孤立地看待。醇可以轉化為鹵代烷，而該鹵代烷之後還可以進一步進行取代反應或消除反應。
原本帶有 \(\ce{-OH}\) 基團的那個碳原子通常仍是重要的參考位置，但試劑決定下一步會發生什麼。使用 \(\ce{HX}\) 時，該位置會發生取代反應。在脫水條件下，則會從相鄰位置移除原子，並形成雙鍵。能夠分辨這兩種模式，是從背誦彼此孤立的方程式進一步提升到預測多步驟 HSC 有機反應途徑的下一步。