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ハロゲンの反応（E1反応とE2反応）

 

　脱ハロゲン化水素の機構(E1反応、E2反応)
S_N1反応、S_N2反応の求核置換反応では求核試薬が関与していたが、求核試薬としてではなく塩基として働くとアルケンを生じさせる。求核置換反応では求核試薬が炭素を攻撃するが、E1,E2反応では塩基が水素を攻撃する。

 

S_N1反応にE1反応が対応し、S_N2反応にE2反応が対応している。E1反応では1分子の濃度が反応速度を決める。それに対し、E2反応では2分子の濃度が反応速度を決める。

 

・E1反応
この反応はS_N1反応と同様に脱離基が自発的に脱離することから始まる。その後、カチオン中間体からH が外れ、二重結合を形成する。

 

　

 

E1反応とS_N1反応は全く同じ中間体を通って反応し、速度の速さは基質の濃度に依存している。そのため、「E1反応だけを起こす」や「S_N1反応だけを起こす」などの制御は困難である。 E1反応とS_N1反応のどちらが主に起こるかは求核試薬の性質による。

 

反応の速度は第三級＞第二級＞第一級の順で起こりやすく、中間体からプロトンが脱離するときに安定なアルケンが生成しやすい。これはセイチェフ則という経験則に基づく。

 

・E2反応
E2反応は2分子反応であり、反応速度は基質と塩基の二つの濃度に依存している。

 

E2反応では脱離基の隣の炭素のHを攻撃して、それと共に脱離基が解離して二重結合を形成する。二重結合が形成するとき、セイチェフ側で反応が進む。

 

　

 

この反応の場合、主生成物にはシス型とトランス型が考えられるが、ニューマン投影式で考えるとトランス型の方が主生成物であると理解できる。メチル基の位置がトランスではアンチ配座でシスではゴーシュ配座である。

 

　

 

また、E2反応では脱離するハロゲンと水素がお互いにアンチ配座しているアンチペリプラナーの関係でないといけない。

 

　

 

なお、S_N2反応は炭素を攻撃するため炭素に置換基があると立体障害が起こるが、E2反応は水素を攻撃するため立体障害をあまり受けない。つまり、第三級でも反応は進行する。

 

E1反応	E2反応
反応速度は基質濃度に依存 (求核試薬の濃度には依存しない)反応速度は基質濃度と試薬濃度に依存
中性、酸性条件下でも反応進行	強塩基で反応
	トランス脱離
反応性 ○反応基質 第三級＞第二級＞第一級	反応性 ○反応基質 第一級＞第二級＞第三級

 

E1反応の特徴としては、酸性条件下でも反応が進行するという点である。その例として、硫酸によるアルコール脱水がある。

 

　

 

　セイチェフ則とホフマン則
E1反応やE2反応によってアルケンが生成するとき、セイチェフ則かホフマン則に従う。一般的なのはセイチェフ則の方であり、ホフマン則は例外と思ってくれれば良い。

 

・セイチェフ則
セイチェフ則に従う場合、生じるアルケンは「より置換基の多いアルケン」が生成することになる。

 

　

 

①では二重結合を介して二つのメチル基が結合してる。それに対し、②では二重結合を介して一つのエチル基が結合している。「より置換基の多いアルケン」が生成しやすいので、二つのアルケンが結合している①が主生成物となる。

 

・ホフマン則
ホフマン則はセイチェフ則の逆で、生じるアルケンは「より置換基の少ないアルケン」が生成することになる。ホフマン則は立体的に大きな基が脱離基 (-N R₃：四級アンモニウム)となる場合やかさ高い(立体障害のある)塩基を使用した場合に起こる。

 

　

 

上に示した脱離基・塩基は立体障害によって混み合っている。そのため本当はセイチェフ則に従いたいが、仕方なくホフマン則に従うのである。セイチェフ則の説明で載せた反応図において、ホフマン則では②が主生成物となる。