11.3
概要
エーテルは、有機化合物からさまざまな方法で調製する事ができます。 そのいくつかを以下の文で説明します。
アルコール脱水によるエーテルの調製
この方法では、プロトン酸の存在下でアルコールが脱水され、さまざまな条件下でアルケンとエーテルが生成されます。 たとえば、硫酸の存在下では、413 K でエ…
アルコールからエーテルを調製する最も一般的な2つの方法は、アルコール脱水とウィリアムソンエーテル合成です。
アルコール脱水は、エーテルの工業的調製に使用されます。この方法は、SN2メカニズムを介したアルコールの酸触媒による脱水を含みます。
硫酸の存在下でのエタノールの脱水を考えて、ジエチルエーテルを得ることを考えてみましょう。
反応は、酸触媒からエタノールのヒドロキシル基へのプロトン移動から始まり、オキソニウムイオンを形成します。プロトン移動は、脱離基が不十分なヒドロキシルを、より優れた脱離基であるオキソニウムイオンに変換します。
続いて、求核剤として作用する第2のエタノール分子が、SN2反応でオキソニウムイオンを攻撃し、水分子を置換して新しいオキソニウムイオンを形成する。
最後に、新しいオキソニウムイオンから水へのプロトン移動により反応が完了し、最終生成物としてエトキシエタンが得られます。
アルコール脱水法は、第一級アルコールに由来する対称エーテルの調製に限定されます。二級アルコールと三級アルコールはアルケンに脱水するため、使用できません。
さらに、この方法はエーテルの混合物を生成するため、非対称エーテルの調製には適していません。
エーテルを調製するためのより一般的な方法は、ウィリアムソンエーテル合成です。これは2段階のプロセスであり、非対称エーテルを準備するための重要なルートを提供します。
具体的な例は、プロパノールからのエトキシプロパンの合成です。
反応はアルコールの脱プロトン化から始まり、プロパノールは強塩基である水素化ナトリウムと反応してアルコキシドイオンを形成します。
第2のステップは、アルコキシドイオンが求核剤として作用し、ヨウ化物イオンを置換してエーテルを形成するS N2反応です。
ウィリアムソンエーテル合成は、阻害が少なく、SN2反応性が高いため、基質としてメチルまたは第一級ハロゲン化アルキルを好みます。
対照的に、二級または第三級のハロゲン化アルキルは、より阻害され、代わりに排泄を受けるため、あまり好まれません。
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Q1: How does acid-catalyzed alcohol dehydration produce ethers?
Acid-catalyzed alcohol dehydration begins with proton transfer from the acid catalyst to the hydroxyl group, forming an oxonium ion—a better leaving group than hydroxyl. A second alcohol molecule then attacks this oxonium ion via an SN2 mechanism, displacing water and forming a new oxonium ion. Final proton transfer to water yields the ether product.
Q2: Why is alcohol dehydration limited to primary alcohols and symmetrical ethers?
Secondary and tertiary alcohols preferentially dehydrate to alkenes rather than ethers because elimination competes favorably with substitution. Additionally, using different primary alcohols yields a mixture of ethers, making the method unsuitable for asymmetrical ether preparation. These limitations make alcohol dehydration practical only for symmetrical ethers from primary alcohols.
Q3: What is the Williamson ether synthesis and why is it more versatile?
Williamson ether synthesis is a two-step process that deprotonates an alcohol with a strong base like sodium hydride to form an alkoxide ion, which then undergoes an SN2 reaction with an alkyl halide to form the ether. This method is more versatile because it produces asymmetrical ethers and avoids the mixture problems and elimination side reactions associated with alcohol dehydration.
Q4: Why do methyl and primary alkyl halides work best in Williamson ether synthesis?
Methyl and primary alkyl halides are preferred substrates because they are less sterically hindered and exhibit high SN2 reactivity. Secondary and tertiary alkyl halides are more hindered and undergo elimination instead of substitution, reducing ether yield. The nucleophilic alkoxide ion attacks the carbon bearing the halide most effectively when steric hindrance is minimal.
Q5: What role does the alkoxide ion play in Williamson ether synthesis?
The alkoxide ion, formed by deprotonating an alcohol with a strong base, acts as the nucleophile in the SN2 reaction. It attacks the carbon of the alkyl halide, displacing the halide as a leaving group and forming the ether product. The alkoxide's strong nucleophilicity and basicity make it ideal for this substitution reaction.
Q6: How do temperature conditions affect alcohol dehydration outcomes?
Temperature significantly influences whether alcohol dehydration produces ethers or alkenes. At lower temperatures like 413 K with sulfuric acid, ethanol dehydration yields ethoxyethane. At higher temperatures around 443 K, the same reaction produces ethene instead. This temperature dependence reflects the competing pathways of substitution and elimination.
Q7: What is the mechanism difference between alcohol dehydration and Williamson synthesis?
Alcohol dehydration uses an acid catalyst to activate the hydroxyl group and proceeds via an SN2 mechanism where one alcohol acts as substrate and another as nucleophile. Williamson synthesis uses a strong base to deprotonate the alcohol first, then the resulting alkoxide nucleophile attacks an alkyl halide via SN2. Both follow SN2 mechanisms but differ in activation strategy and substrate requirements.