第六章 消除反應(yīng)

第六章消除反應(yīng)第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四教學(xué)目的與要求1、掌握β-消除反應(yīng)機(jī)理：E2、E1、E1CB；影響反應(yīng)機(jī)理的因素，消除反應(yīng)的定向；E2反應(yīng)中的立體化學(xué)（重點(diǎn)和難點(diǎn)）。2、了解其它消除反應(yīng)教學(xué)課時(shí)：2第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、消除反應(yīng)類型β－消除:在相鄰的兩個(gè)碳原子上的原子或基團(tuán)被消除，形成雙鍵或叁鍵。α－消除:從同碳原子上消除兩個(gè)原子或基團(tuán)，形成卡賓：1,1－消除第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1，3－消除：飽和碳原子進(jìn)行親核取代反應(yīng)時(shí)，常伴隨消除反應(yīng)的發(fā)生：第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、消除反應(yīng)的機(jī)理根據(jù)離去基團(tuán)和β－氫從分子中離去的順序，分為三種機(jī)理：?jiǎn)畏肿酉磻?yīng)E1共軛堿單分子消除(E1CB)機(jī)理雙分子消除反應(yīng)E2第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.單分子消除反應(yīng)(E1)機(jī)理反應(yīng)活性：對(duì)于烷基：3°>2°>1°>CH3

首先反應(yīng)物的離去基團(tuán)在溶劑的作用下帶著一對(duì)電子離去生成碳正離子，第二步為碳正離子以質(zhì)子形式失去一個(gè)β-H生成烯烴。第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E1反應(yīng)過程第一步產(chǎn)生正碳離子，C由Sp3雜化轉(zhuǎn)變?yōu)镾p2雜化。第二步在強(qiáng)堿作用下βC-H

逐漸斷裂，同時(shí)形成雙鍵。第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E1和SN1反應(yīng)的第一步都是生成碳正離子，不同的是在第二步。E1的第二步是親核試劑進(jìn)攻β-碳上的氫原子，使氫以質(zhì)子的形式脫去而形成烯烴；SN1則是親核試劑直接與正碳離子結(jié)合得到取代產(chǎn)物。所以，這兩類反應(yīng)是相互競(jìng)爭(zhēng)、伴隨發(fā)生的。E1機(jī)理的速度決定步驟中，堿不起作用，但對(duì)碳正離子的前途即E1與SN1的競(jìng)爭(zhēng)卻起著至關(guān)重要的作用，較強(qiáng)的堿有利于E1反應(yīng)。第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四按E1機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的實(shí)例：底物不同產(chǎn)物相同反應(yīng)速率不同經(jīng)過相同的中間體第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四正碳離子的重排：這是SN1和E1的標(biāo)志

例如：第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E1反應(yīng)特點(diǎn)：反應(yīng)分兩步進(jìn)行。第一步產(chǎn)生中間體正碳離子，是決速步驟，這一步中只有一種分子參與反應(yīng)，所以是單分子消除反應(yīng)。反應(yīng)活性取決于中間體正碳離子的穩(wěn)定性。第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.共軛堿單分子消除(E1CB)機(jī)理共軛酸共軛堿堿首先奪去β-H生成底物的共軛堿碳負(fù)離子，隨后離去基團(tuán)帶著一對(duì)電子離去形成π鍵。第二步從反應(yīng)物的共軛堿碳負(fù)離子生成雙鍵的反應(yīng)也是單分子消除反應(yīng)，稱為E1CB（CB表示反應(yīng)物的共軛堿）或稱碳負(fù)離子歷程。第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四按E1CB機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)底物結(jié)構(gòu)特征：①當(dāng)β－氫被吸電子基團(tuán)活化時(shí)，如：COCH3,、NO2、Me3N+等；②L是難離去基團(tuán)。第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E1CB機(jī)理證明同位素交換當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一半時(shí)測(cè)定，產(chǎn)物中有(II)生成，表明H與D的交換發(fā)生，說明中間體C

－的存在。第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.雙分子消除反應(yīng)（E2）試劑進(jìn)攻β-H的同時(shí)C-X鍵逐漸斷裂，反應(yīng)經(jīng)過中間過渡態(tài)一步完成，其反應(yīng)速率與反應(yīng)物和親核試劑的濃度成正比，所以叫雙分子消除反應(yīng)（E2）。按E2反應(yīng)的底物特征：伯鹵代烷、仲鹵代烷、一級(jí)烷基季銨鹽等。第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E2反應(yīng)歷程反應(yīng)一步完成。堿性試劑進(jìn)攻βC上的H，逐漸與

β-H結(jié)合，同時(shí)C-X鍵在溶劑作用下逐漸斷裂。第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E2和SN2的不同點(diǎn)：在SN2反應(yīng)中親核試劑進(jìn)攻的是α-碳原子，而在E2中進(jìn)攻的是β-氫原子。由于E2和SN2的反應(yīng)機(jī)理很相似，所以，這兩類反應(yīng)是相互競(jìng)爭(zhēng)、伴隨發(fā)生的。第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E2反應(yīng)特點(diǎn)：1、反應(yīng)一步完成。反應(yīng)決速步驟中有兩種分子參與反應(yīng)，是雙分子消除反應(yīng)。2、鹵代烷的E2的速度順序與E1一樣為：3。RX>2。RX>1。RX

。原因：(1)試劑進(jìn)攻的是β-H

，進(jìn)攻的難易程度只與β-H上的位阻有關(guān)，與RX的位阻無關(guān)。

(2)上述三類鹵代烴中3。RX生成的烯烴最穩(wěn)定。第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四實(shí)際上E1、E2和E1cb是三種極限歷程，在它們之間還有很多中間類型的歷程。在離子型消除反應(yīng)中，按E2歷程進(jìn)行的比較多，而在E2歷程中反應(yīng)完全按協(xié)同歷程進(jìn)行的僅是一種理想狀況。如果C-H鍵的斷裂先于C-X鍵的斷裂及π鍵的形成，在過渡態(tài)時(shí)鍵的斷裂的程度C-H鍵大于C-X鍵，這種過渡態(tài)與E1cb類似；如果C-X鍵的斷裂先于C-H鍵的斷裂及π鍵的形成，在過渡態(tài)時(shí)鍵的斷裂的程度C-X鍵大于C-H鍵，這種過渡態(tài)與E1類似。實(shí)際上E1通過E2到E1cb是一個(gè)連續(xù)變化的過程。這一概念叫作E2可變過渡態(tài)理論，下圖簡(jiǎn)略地描述了這種變化。第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四下圖簡(jiǎn)略地描述了這種變化:

E2、E1、E1CB的關(guān)系：EICB似E1CBE2似E1E1L首先離去L與H同時(shí)離去H+首先離去第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、影響反應(yīng)機(jī)理的因素進(jìn)行消除反應(yīng)究竟按何種歷程，其過渡態(tài)屬于哪種類型，取決于反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)、堿的強(qiáng)弱、離去基團(tuán)的性質(zhì)、溶劑、溫度等因素。另一方面，親核試劑可以看作堿，堿也具有一定的親核性。因此同一親核試劑或堿常引起消除反應(yīng)與親核取代反應(yīng)的相互競(jìng)爭(zhēng)。試劑進(jìn)攻α-碳原子就引起取代反應(yīng)，進(jìn)攻β-氫就引起消除反應(yīng)。第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四取代與消除可由同一試劑進(jìn)攻引起，這兩種反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)。如下圖：第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1底物的結(jié)構(gòu)反應(yīng)底物分子中α-或β-碳上存在的取代基對(duì)消除反應(yīng)機(jī)理有四種影響：

1）α-和β-取代基對(duì)過渡態(tài)中初期的雙鍵施加的穩(wěn)定或不穩(wěn)定影響；

2）β-取代基對(duì)β-H酸性及過渡態(tài)中初期的碳負(fù)離子穩(wěn)定性施加的影響；

3）α取代基對(duì)過渡態(tài)中初期的碳正離子穩(wěn)定性施加的影響；

4）α-和β-取代基的空間效應(yīng)。第1）和4）項(xiàng)對(duì)所有三種反應(yīng)機(jī)理都有影響，但空間效應(yīng)對(duì)E2機(jī)理影響最大；第2）項(xiàng)對(duì)E1cb機(jī)理有影響，對(duì)E1機(jī)理沒有影響；第3）項(xiàng)對(duì)E1機(jī)理有影響，對(duì)E1cb機(jī)理沒有影響。第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)α-碳原子上連有烷基及芳基時(shí)能使形成的碳正離子中間體穩(wěn)定，反應(yīng)將傾向于按E1歷程進(jìn)行。當(dāng)β-碳原子上連有烷基時(shí)，由于它的供電子效應(yīng)使β-氫原子的酸性減小，故使反應(yīng)向著E1歷程轉(zhuǎn)變。當(dāng)β-碳原子上連有芳基時(shí)使形成的碳負(fù)離子穩(wěn)定,反應(yīng)歷程向著E1cb歷程轉(zhuǎn)變。同樣位于β-碳原子上的所有吸電子基，不僅能增加β-氫的酸性，又能使碳負(fù)離子穩(wěn)定；但若吸電子基團(tuán)處于α-位則幾乎沒有影響，除非與雙鍵共軛。第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四對(duì)于雙分子反應(yīng)（SN2和E2），若β-碳原子上的烷基多或體積大，因位阻原因?qū)θ〈磻?yīng)（SN2歷程）不利，增加消除反應(yīng)產(chǎn)物的比例。

第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2堿的影響堿越強(qiáng)，濃度越大，利于E1CB、E2機(jī)理。反之，利于E1機(jī)理。在E1歷程中，一般不需要加堿，此時(shí)溶劑起著堿的作用。當(dāng)增加額外的堿時(shí)，反應(yīng)歷程將由E1歷程向E2歷程轉(zhuǎn)變。增加堿的濃度或用更強(qiáng)的堿則使反應(yīng)歷程向E1-E2-E1cb歷程方向移動(dòng)。正常的E2歷程可用下列堿來完成：H－,NR3,OH－，－OCOCH3,RO－,ArO－,NH2－,CO32－,I－,CN－,LiALH4和有機(jī)堿。在有機(jī)合成中重要且常用的堿為OH－，RO－和NH2－，通常用它們的共軛酸H2O、ROH、NH3作溶劑。第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四堿對(duì)SN1和E1的反應(yīng)速率沒有影響，但堿的性質(zhì)不同程度地影響著SN2和E2的競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)物相對(duì)量。強(qiáng)堿有利于E2，在非離子化溶劑中，高濃度的強(qiáng)堿對(duì)雙分子歷程有利，并且對(duì)E2比對(duì)SN2更為有利。在離子化溶劑中，用低濃度的堿或完全不用堿，對(duì)單分子歷程有利，并且對(duì)SＮ1比對(duì)E1歷程有利。弱堿有利于取代反應(yīng)，但如在極性非質(zhì)子溶劑中反應(yīng)時(shí)，消除反應(yīng)可占優(yōu)勢(shì)。第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四堿性和親核性是相關(guān)又易混淆的概念。堿性指對(duì)質(zhì)子的反應(yīng)活性。在E2反應(yīng)中，是指奪取β-氫的能力。親核性是指對(duì)缺電子碳原子的反應(yīng)活性，在SN2反應(yīng)中是指進(jìn)攻α碳原子的能力。試劑的堿性與親核性通常不是嚴(yán)格平行的關(guān)系。一般認(rèn)為，強(qiáng)堿也具有較強(qiáng)的親核性能，如伯鹵代烷與NaOH~H2O反應(yīng)，取代和消除同時(shí)發(fā)生。弱堿難于進(jìn)攻β—?dú)?，但?duì)α碳原子的進(jìn)攻能力不一定差，I-、CH3COO-為弱堿但親核性能較強(qiáng)，因此主要發(fā)生SN2反應(yīng)。以鹵代烷制備烯烴時(shí)，需要采用高濃度的強(qiáng)堿，或用選擇性強(qiáng)、體積大的堿；而用鹵代烷制備醇等取代產(chǎn)物時(shí)，則需要弱堿以減少烯烴的形成。第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四3離去基團(tuán)離去基團(tuán)越易離去，利于E1機(jī)理。較好的離去基團(tuán)有利于離子化作用對(duì)E1反應(yīng)歷程有利，也有利于E２歷程。較差的離去基團(tuán)或帶正電荷的離去基團(tuán)使反應(yīng)按E1cb歷程進(jìn)行，因?yàn)閺?qiáng)的吸電子基使β-氫原子的酸性增加，有利于E1cb反應(yīng)歷程。帶正電荷的離去基團(tuán)，由于具有強(qiáng)-I效應(yīng)，β-氫酸性增強(qiáng)，易被堿進(jìn)攻而增加消除產(chǎn)物比例，與之競(jìng)爭(zhēng)的取代反應(yīng)較難發(fā)生。如含有β氫的季銨堿在醇鈉或加熱條件下幾乎完全得到消除產(chǎn)物。第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四（4）溶劑的影響如果溶劑化作用是穩(wěn)定了反應(yīng)物，使反應(yīng)物的能量降低，活化能就會(huì)升高，就會(huì)減緩反應(yīng)速度，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。例如：極性大的溶劑對(duì)E1和SN1反應(yīng)有利：

第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四極性大的溶劑對(duì)雙分子反應(yīng)（SN2和E2）不利，因?yàn)闃O性大的溶劑有利于電荷集中而不利于過渡態(tài)電荷的分散。

第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四由于E2反應(yīng)過渡態(tài)的電荷比SN2反應(yīng)過渡態(tài)的電荷分散，所以，極性大的溶劑對(duì)E2更不利。SN2與E2反應(yīng)過渡態(tài)負(fù)電荷分散程度第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四（5）溫度的影響升高溫度對(duì)取代和消除都有利，但是升高溫度對(duì)消除更有利。因?yàn)橄磻?yīng)除要斷裂C-X鍵外還要拉長(zhǎng)β-C-H鍵，這樣形成過渡態(tài)所需的活化能比取代反應(yīng)要大，因此提高反應(yīng)溫度往往可以增加消除產(chǎn)物的比例。第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

一般強(qiáng)堿、高溫、弱極性溶劑有利于消去反應(yīng)，因此水解反應(yīng)在水溶液中進(jìn)行，而消去反應(yīng)在醇溶液中有利。第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四伯鹵代烴的消除反應(yīng)只有一種方式，而仲、叔鹵代烷可能有多種方式。如：ββ主要產(chǎn)物81%次要產(chǎn)物19%四、消除反應(yīng)的取向第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四次要產(chǎn)物29%主要產(chǎn)物71%βββ消除反應(yīng)主要產(chǎn)物是雙鍵上連有最多取代基的烯烴，稱為查依采夫(Saytzeff)規(guī)則。第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四練習(xí)：寫出下列反應(yīng)的主要產(chǎn)物查依采夫(Saytzeff)規(guī)則的實(shí)質(zhì)：越穩(wěn)定的烯烴越容易生成。第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四五、E2反應(yīng)的立體化學(xué)E1、E1CB不具有立體選擇性。在發(fā)生消除反應(yīng)時(shí)，所涉及消除的兩個(gè)基團(tuán)H和L在C—C鍵的兩側(cè)或同一側(cè)，分別稱為反式消除或順式消除。如下列示意圖：

反式或?qū)ο蛳樖交蛲蛳谌隧?yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四E2按反式消除順式消除第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四一般來說，E2反應(yīng)對(duì)分子中被消除的兩個(gè)基團(tuán)H和L的立體化學(xué)要求是反式或?qū)ο蛳谶^渡態(tài)時(shí)兩個(gè)被消除基團(tuán)處于反式共平面的構(gòu)象，如下面的示意圖。隨著C—L鍵和β-C—H鍵的逐漸拉長(zhǎng)斷裂，兩個(gè)與L和H成鍵的碳原子的sp3軌道逐漸演變成p軌道并互相重迭生成π鍵。因此，在發(fā)生E2反應(yīng)時(shí)，所涉及的H、C、C和L應(yīng)處于同一平面上，H和L在C—C鍵的兩側(cè)。第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例如：1-溴-1，2-二苯丙烷按E2歷程進(jìn)行消除反應(yīng)時(shí)，其中一對(duì)對(duì)映體只生成順式-1，2-二苯丙烯，第四十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

下列反應(yīng)都是環(huán)己烷衍生物反式消除反應(yīng)的例子，其構(gòu)象要求C—H和C—L都處于a鍵上。

第四十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四具有反式氫處于反式的氫在e鍵上，與OTs不在一個(gè)平面上，反應(yīng)按E1機(jī)理進(jìn)行。消除速度更快