對甲苯磺醯氯（4-Toluenesulfonyl chloride）

對甲苯磺醯氯（4-Toluenesulfonyl chloride）
國立臺灣師範大學化學系碩士生曹育碩

對甲苯磺醯氯（4-toluenesulfonyl chloride，亦為tosyl chloride）同時具有甲苯與磺醯氯官能基團，為一具有刺鼻味之白色固體。磺醯基（sulfonyl group）為一強拉電子基，常扮演一級醇與二級醇的保護基（Protecting Group），並藉此形成較好的離去基，在親核取代反應中較常應用。

對甲苯磺醯氯是由對甲苯磺酸（p-toluenesulfonic acid）製備而獲得，對甲苯磺酸是一種不具氧化力的有機強酸，白色針狀粉末，吸水性強，容易潮解使紙張、木材脫水發生碳化，亦可作為酸催化劑使用。將對甲苯磺酸與氫氧化鈉中和可得對甲苯磺酸鈉，接者與五氯化磷作用，即獲得對甲苯磺醯氯，如下式：

在親核取代反應（Nucleophilic Substitution）與脫去反應（Elimination）中，對甲苯磺酸基是良好的離去基（Leaving Group）扮演重要的角色。離去基愈趨穩定，能量愈低（圖一），反應性愈好。離去基的快慢依序為OTs^─> I^─> Br^─> Cl^─> F^─>（OR^─、NH₂^─、OH^─），見（圖二）⁷。其中對甲苯磺酸基（OTs^─）因具有穩定共振結構，亦為pka = -2.8 之共軛強酸，即為一良好的離去基。

圖一

圖二

有機合成常利用磺酸類（R-SO₃H）化合物將醇類轉換為磺酸酯類（R-SO₃R’，sulfonate esters）衍生物，較常見諸如：對甲苯磺醯基（tosyl group）、甲基磺醯基（mesyl group）、苯磺醯基（benzenesulfonyl），可有效利用於親核取代、脫去反應中，目的是將反應性較差的離去基（R-OH）轉換成反應性較好的離去基（R-SO₃^─），利於後續的有機合成反應。

利用親核取代反應將一級醇或二級醇（R-OH）與對甲苯磺醯氯（TsCl）轉換為對甲苯磺酸酯（R-OTs，tosylate），加入鹼性物質吡啶（pyridine）中和反應過程中產生的鹽酸，如下式：

對甲苯磺酸酯可接著利用氫化鋁鋰產生裂解反應，如下式：

由上述兩個反應即為將一級醇上的羥基（OH）還原，其方法如下：
將一級醇與對甲苯磺醯氯形成對甲苯磺酸酯，當作一良好的離去基，利用三乙基胺中和鹽酸，接著加入碘化鈉（sodium iodide），將對甲苯磺酸酯利用親核取代反應置換成碘原子，藉由這樣的方式將羥基去除，並有高的產率，如下式：

對甲苯磺醯氯亦可作為醇類（R-OH）或胺類（R-NH₂）的保護基，使後續的有機合成反應不受影響，提高反應專一性及產率。

將甲基胺（Me-NH₂）與對甲苯磺醯氯（TsCl）在二氯甲烷（dichloromethane）作為溶劑下，經由親核取代反應即可生成甲磺醯胺（R-NTsH），其反應如下：

在胺基酸聚合物中，如多肽（polypeptide）的合成，對甲苯磺醯氯可用來保護胺基酸中的胺基，其反應如下：

對甲苯磺醯氯作為廣泛應用的試劑，在許多反應中具有相當良好的反應活性，並藉此提高效能與產率，亦可作為脫水劑，得以製備腈（nitrile）、異腈（isocyanide）、二亞胺（diimine）。

參考資料：

1. Wade, L. G. Jr. (2006). Organic Chemistry (6^th ed.). New York: Pearson Education, Inc.
2. Loudon, G. Marc. (1995). Organic Chemistry (3^rd ed.). California: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.
3. Pfizer, Inc. 1997. Benzisothiazoles derivatives as inhibitors of 5-lipoxygenase biosynthesis. U.S. Patent No. 5665749.
4. 對甲苯磺醯氯（4-Toluenesulfonyl chloride）
   http://en.wikipedia.org/wiki/4-Toluenesulfonyl_chloride
5. 對甲苯磺醯基（Tosyl）
   http://en.wikipedia.org/wiki/P-Toluenesulfonic_acid
6. 鹵烷:親核性取代及脫去
   lms.ls.ntou.edu.tw/sys/read_attach.php?id=2060
7. Nucleophilic Substitution
   http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/graphics/carey04oc/ref/ch08reactionsofalcohols.html
8. Dehydration Of Alcohols
   ‎http://ochemstudy.wikidot.com/dehydration-of-alcohols
9. TsCl（p-toluenesulfonyl chloride） and MsCl（methanesulfonyl chloride）
   http://www.masterorganicchemistry.com/2011/06/24/reagent-friday-tscl-p-toluenesulfonyl-chloride-and-mscl-methanesulfonyl-chloride/