離去基 (leaving group)
離去基 (leaving group)
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年級胡婷嘉研究生
在親核取代反應(nucleophilic substitution)和消去反應(elimination)中,離去基的好壞占有決定性的因素。在親核反應中,從被親核試劑攻擊的分子上,帶著一對電子斷裂出去的原子或基團稱為離去基(leaving Group),一般用 L 或 LG 代表,可以為帶電的離子,也可以為不帶電的中性分子。
取代、加成、消去、自由基、氧化還原
離去基 (leaving group)
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年級胡婷嘉研究生
在親核取代反應(nucleophilic substitution)和消去反應(elimination)中,離去基的好壞占有決定性的因素。在親核反應中,從被親核試劑攻擊的分子上,帶著一對電子斷裂出去的原子或基團稱為離去基(leaving Group),一般用 L 或 LG 代表,可以為帶電的離子,也可以為不帶電的中性分子。
影響雙分子親核基取代反應速率之因素
國立臺灣師範大學化學系四年級學生劉曉橋
一. 簡介 $$S_N2$$ reaction:
$$S$$ 代表取代(substitution),$$N$$ 代表親核性的(nucleophilic),$$2$$ 則代表兩個分子,即此反應有兩個分子參與速率決定步驟(rate determing step)。此反應為親核基取代反應的其中一種,且僅有單一步驟。而在化學動力學上,$$S_N2$$ 反應為一個二級反應,其反應速率正比於二反應物濃度,即:$$\mathrm{R=k[Nu:^-][RX]}$$
丙二酸酯合成法(Malonic Ester Synthesis)
國立臺灣師範大學化學系三年級俞姿宇
丙二酸酯合成法是一種有機合成法,將鹵烷類化合物轉變為羧酸化合物並增加兩個碳原子。是利用丙二酸酯(1)$$\alpha$$ 位置上有酸性較大的氫(2)易發生脫羧反應等兩大特性。
一般的酯類(圖一),脫去一個氫後,負電荷能共振到羰基的氧上;而脫去一個氫的丙二酸酯(圖二),負電荷則可被分散到一個碳原子及兩個氧原子上,共有三個共振式。電荷越分散、非定域化(delocalized)的程度越高,對其結構穩定度越有幫助。
克萊森縮合反應Claisen Condensation Reaction
國立臺灣師範大學化學系博士生林欣慧
克萊森縮合反應又稱為克萊森酯類縮合反應,是由德國科學家 Rainer Ludwig Claisen (圖一)1在 1887 年所發表。
有別於傳統且廣為人知的有機酸加醇類在鹼性條件下進行反應可得到酯類化合物;克萊森縮合反應是將具有 $$\alpha$$(alfa)氫的酯類化合物在鹼性條件下進行兩個相同酯類分子的縮合反應進而獲得酮酸酯(keto ester)化合物。
醇的保護(Protection of Alcohols)
國立臺灣師範大學化學系三年級學生趙崇瀚
在一般常見的水溶液化學反應環境中,醇類在羥基上的氫並不是太好的酸 $$(pK_a\approx 16)$$,甚至比水的酸性更低 $$(pK_a=15.7)$$,但比起有機化合中大部分碳上的氫($$pK_a$$ 通常大於 $$20$$)則算是相當酸的氫。
因此,有機反應中羥基的氫的反應性相當的高,換言之,若是一有機分子本身具有多個官能基(包含羥基),則在合成步驟中用來修飾分子的反應試劑可能因為優先與羥基作用,而導致失去原本的功效。最為常見的例子,是使用同時含有鹵素和羥基的分子製作格里納試劑(Grignard reagent),考慮以下例子:
苯環的親電子取代反應 (Electrophilic Aromatic Substitution)
國立臺灣師範大學化學系三年級學生趙崇瀚
苯是一種不溶於水的揮發性液體,且其沸點及熔點較同碳數的烴類來得高,在醫藥、染料及有機合成方面都有廣泛的應用。
從苯主要的共振式中可以得知其具有部分雙鍵的性質,但是苯卻不像其他具有雙鍵的有機化合物一般,容易進行各種的加成反應,原因在於苯是符合休克爾規則 (Hückel’s rule) 的芳香族分子,一旦要進行加成反應,必須先破壞其原有的芳香性,所以反應的活化能相當大,通常需要在紫外線照射或是其他高能量的環境條件下才有可能進行。
疊氮化合物 (Azide Compound)
國立臺灣師範大學化學系博士班三年級梁家榮
一提到疊氮化合物,第一個聯想到的關鍵字,很可能就是疊氮化鈉,也就是安全氣囊的製作原料之一。安全氣囊可以利用疊氮化鈉在汽車接受到撞擊時,相當短暫的時間內,大量製造出氮氣。作為填充氣囊並達到緩衝撞擊的用途,以減少駕駛受到撞擊所帶來的傷害。
疊氮化合物(azide compound)是一種帶有三個氮原子的直線型負離子官能基團,常以縮寫 $$\mathrm{{N_3}^-}$$ 來表示。在八隅體的規則確立之後,科學家們才開始了解疊氮化合物可能存在的結構式。
鍵擊化學 (Click Chemistry)
國立臺灣師範大學化學系博士班三年級梁家榮
像點擊一下滑鼠一般的動作,就完成了一個化學反應。鍵擊化學(Click Chemistry)這個名詞,最早是在 2001 年由同年的諾貝爾化學獎得主 Prof. K. B. Sharpless 所提出。
這個名詞的概念是將兩種有機小分子快速且有效的接上,能夠使碳原子與雜原子間高產率的形成新的鍵結,同時只有極少的副產物生成。並且在許多不同的條件,例如改變部分的取代基,只要在主要反應的官能基不變的環境下,依然可以高效的合成出目標產物。
追求不再貴重的催化 (catalysis)之路
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明
現代人類的生活和文明離不開化學,化學品的製造經常隨伴著副產物的產生,這些副產物若不謹慎處理,容易造成環境的污染。從效率的角度來看,產生無用而需廢棄的副產物,是一種浪費。以現在愈來愈受注重的綠色化學(註1)概念來看,我們需要發展更有效率的化學製程,其中催化劑的發展是一個重要的方向;催化劑可以降低化學反應的活化能,使得反應加速,因此能在較為溫和的條件下進行反應,明顯的具有節能的效果。催化劑扮演的是協助的角色,本身並不會成為產物的一部分;透過一個循環的機制,催化劑在每一次的循環結束時,會重新產生,進行下一輪的催化循環,因此並不需要使用許多的催化劑。在工業上,好的催化劑用量最好能在0.01當量以下,愈少愈好,若是超過0.05當量,將不會是很理想的催化劑。
催化劑基本上分為兩種:異相催化與勻相催化。前者是使用的催化劑與反應溶液不互溶,催化的反應發生在催化劑與溶液的介面,因此催化劑的表面積愈大效果愈好。常見的異相催化劑,例如食品工業中,將不飽和脂肪酸的碳-碳雙鍵飽和化時,使用氫氣為還原劑,但需要鈀(Pd)、鉑(Pt)或銠(Rh)等金屬做為催化劑。這些金屬不溶於反應使用的有機溶劑,屬於異相催化劑。為了充份將金屬的表面攤開以提高效率,細微的金屬顆粒是靠著吸附的方式附著在各種固相的擔體上面,常用的擔體是木炭(charcoal)的粉末。異相催化的好處是去除容易,透過簡單的過濾即可,需要的話可以回收再使用,符合綠色化學的精神;但壞處是表面積的多寡與顆粒的大小和均勻度有關,不易控制。反應發生在兩相介面,攪拌的效率很重要,因此反應的時間必須視實際進行狀況來判定。不同的擔體會影響金屬的表面結構(註2),進而影響反應活性和選擇性,不同的金屬化學反應性也不同。
勻相催化的系統中,催化劑是可溶於反應溶劑中的,因此反應是發生在均勻的單相中,反應的速率易於掌控,但是去除催化劑以及回收不易。許多的勻相催化劑乃以金屬為催化的核心,那麼要如何讓金屬溶於有機溶劑呢?操控溶解度是利用金屬的配位能力,使用有機化合物做為配位基(ligand),與金屬生成的配位化合物(coordination compound),被稱為有機金屬化合物(organometallic compound),可以溶於有機溶劑 (圖1)。這些有機金屬的催化劑另一項最重要的優點,在於有機配位基的結構可以改變,進而影響金屬催化的活性以及選擇性,這就給予了化學家很大的空間去發展符合他們需求的催化劑。
【高瞻特輯】金剛烷的合成(The Synthesis of Adamantane)
日本早稻田大學室井髙城(Muroi Takashiro)教授撰寫/麻省理工學院材料系李祐慈博士責任編輯
【本系列文章譯自日本報導】
金剛烷與鑽石的化學鍵結形式相同,有耐熱與潤滑的性質,能做為光學材料、藥物成分、黏著劑等方面的應用,如下圖所示
金剛烷一般是將雙環戊二烯(dicyclopentadiene)進行氫化而成四氫雙環戊二烯(tetrahydropentadiene, THDP),再將其異構化而成。
其中第一步雙環戊二烯的氫化反應若是以鎳金屬或鈀‧氧化鋁(Pd-Al2O3)催化,可在溫和的環境下進行。第二步的異構化反應則需氯化鋁。合成每百萬噸的金剛烷會產生兩百萬噸的氯化鋁殘渣。使用過的氯化鋁無法回收,又有腐蝕性,而金剛烷的產率只有三至四成。這樣的生產方式實在稱不上環保。