威廉逊醚类的合成法

威廉逊醚类的合成法

图一 亚历山大.威廉.威廉逊(来源:参考资料 1)

亚历山大.威廉.威廉逊 (Alexander William Williamson, 1824-1904)(图一),出生于伦敦。

1844 年开始在吉森大学 Justus von Liebig 的实验室工作。陆续在 1846 -1847 年间又发表了包含漂白盐 (bleaching salts)、臭氧,以及普鲁士蓝 (Prussian blue) 等研究的期刊,其在化学史上有一重要的贡献是威廉逊醚类的合成。2

当时,因为已经有科学家发现硫酸和醇类反应会产生新的重排。威廉逊便设计了实验,想藉由取代的方式製造出不同的醇类,再藉由不同的醇类合成醚类;在製造醇类的过程中,意外的发现了醚类可以透过乙醇盐 (ethoxide) 和碘乙烷 (ethyl iodide) 製备。(图二)

威廉逊醚类的合成法

图二 醚类合成的方法(来源:参考资料 3)

醚类的合成中,可以用醇类化合物或是酚类化合物作为起始物,加入强硷反应得到烷氧化物 (alkoxide),接着与卤烷化合物进行亲核性反应得到醚类化合物(图三)。

威廉逊醚类的合成法

图三 醚类合成的方法(来源:参考资料 3)

此反应需加入强硷使得醇类变成醇盐 (alcoholate),醇盐上的氧电子云密度较高,具有较好的亲核性,如果没有加入硷会使得反应进行的很慢甚至无法反应。(图四)

威廉逊醚类的合成法

图四 有无加入硷的反应速度差异—式 (2) 为先加入硷后的反应式,其反应速度较快(来源:参考资料 3)

在威廉逊反应中,若如果选用的卤烷类为三级卤烷,因三级卤烷的立体障碍过大无法进行取代反应,因此只会得到消去反应的产物 (elimination reaction)。(图五

威廉逊醚类的合成法

图五 威廉逊反应中,反应性较差的取代基(来源:参考资料4)

威廉逊反应最常见的方式就是如同图六所示:将醇盐类加入至烷基卤化物,利用其共轭酸做为溶剂进行反应;此反应如图七亦可从醇类开始,加入强硷后、生成醇盐,再加入烷基卤化物。

威廉逊醚类的合成法

图六 以醇盐为起始物的威廉森反应(来源:参考资料 4)

威廉逊醚类的合成法

图七 以醇为起始物,加入强硷进行威廉森合成(来源:参考资料4)

但,如果要对醇类进行去质子化,从酸硷的角度来看,醇类的 $$pKa$$ 值约 $$16$$~$$18$$,而胺化钠 $$\mathrm{({NH_2}^-Na^+)}$$ 的 $$pKa$$ 值约为 $$38$$,因此可做为硷进行反应。

然而,反应中所产生会产生氨 $$(\mathrm{NH_3})$$ 也是一个很好的亲核试剂 (nucleophile),会导致有非预期的副产物的生成,因此,胺化钠对此反应来说并不是一个好的选择(图八)。

威廉逊醚类的合成法

图八 以胺化钠为硷的威廉森合成(来源:参考资料 4)

威廉逊醚类的合成法

图九 以氢化钠为硷的威廉森合成(来源:参考资料 4)

而若我们将强硷物质改成氢化钠 (sodium hydride),其 $$pKa$$ 值约 $$35$$,对醇类进行酸硷反应亦是很好的强硷,反应中所产生的氢气不会进一步产生副反应,如图九。由此例可知,在威廉森反应中硷性物质的选择也是一个重要的因素。

另外,在溶剂的选择上也是一个相当重要的因素,见图十。

威廉逊醚类的合成法

图十 溶剂也可参与威廉森合成(来源:参考资料 4)

威廉逊醚类的合成法

图十一 溶剂所使用的醇类必须为硷的共轭酸,以免而产生副产物(来源:参考资料 4)

以图十一举例说明,威廉逊反应的溶剂必需为反应式中硷性物质之共轭酸 (conjugated acid)。假设以丙醇作为溶剂,以乙醇钠为此反应之硷性物质,会有另一副反应的产生:乙醇钠会和丙醇反应,产生丙醇钠,此时氧带负电荷、钠带正电荷;而氧带负电荷具有很好的亲核性,它也有可能与卤烷进行反应,形成乙丙醚 (ethyl propyl ether) 这个非预期反应的副产物。


参考文献

上一篇: 下一篇: