第六章 消除反應

第六章消除反應第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日教學目的與要求1、掌握β-消除反應機理：E2、E1、E1CB；影響反應機理的因素，消除反應的定向；E2反應中的立體化學（重點和難點）。2、了解其它消除反應教學課時：2第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、消除反應類型β－消除:在相鄰的兩個碳原子上的原子或基團被消除，形成雙鍵或叁鍵。α－消除:從同碳原子上消除兩個原子或基團，形成卡賓：1,1－消除第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1，3－消除：飽和碳原子進行親核取代反應時，常伴隨消除反應的發(fā)生：第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、消除反應的機理根據(jù)離去基團和β－氫從分子中離去的順序，分為三種機理：單分子消除反應E1共軛堿單分子消除(E1CB)機理雙分子消除反應E2第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1.單分子消除反應(E1)機理反應活性：對于烷基：3°>2°>1°>CH3

首先反應物的離去基團在溶劑的作用下帶著一對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β-H生成烯烴。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日E1反應過程第一步產(chǎn)生正碳離子，C由Sp3雜化轉(zhuǎn)變?yōu)镾p2雜化。第二步在強堿作用下βC-H

逐漸斷裂，同時形成雙鍵。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日E1和SN1反應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合得到取代產(chǎn)物。所以，這兩類反應是相互競爭、伴隨發(fā)生的。E1機理的速度決定步驟中，堿不起作用，但對碳正離子的前途即E1與SN1的競爭卻起著至關重要的作用，較強的堿有利于E1反應。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日按E1機理進行反應的實例：底物不同產(chǎn)物相同反應速率不同經(jīng)過相同的中間體第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日正碳離子的重排：這是SN1和E1的標志

例如：第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日E1反應特點：反應分兩步進行。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，所以是單分子消除反應。反應活性取決于中間體正碳離子的穩(wěn)定性。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.共軛堿單分子消除(E1CB)機理共軛酸共軛堿堿首先奪去β-H生成底物的共軛堿碳負離子，隨后離去基團帶著一對電子離去形成π鍵。第二步從反應物的共軛堿碳負離子生成雙鍵的反應也是單分子消除反應，稱為E1CB（CB表示反應物的共軛堿）或稱碳負離子歷程。第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日按E1CB機理進行反應底物結構特征：①當β－氫被吸電子基團活化時，如：COCH3,、NO2、Me3N+等；②L是難離去基團。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日E1CB機理證明同位素交換當反應進行一半時測定，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，共四十八頁，2022年，8月28日3.雙分子消除反應（E2）試劑進攻β-H的同時C-X鍵逐漸斷裂，反應經(jīng)過中間過渡態(tài)一步完成，其反應速率與反應物和親核試劑的濃度成正比，所以叫雙分子消除反應（E2）。按E2反應的底物特征：伯鹵代烷、仲鹵代烷、一級烷基季銨鹽等。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日E2反應歷程反應一步完成。堿性試劑進攻βC上的H，逐漸與

β-H結合，同時C-X鍵在溶劑作用下逐漸斷裂。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日E2和SN2的不同點：在SN2反應中親核試劑進攻的是α-碳原子，而在E2中進攻的是β-氫原子。由于E2和SN2的反應機理很相似，所以，這兩類反應是相互競爭、伴隨發(fā)生的。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日E2反應特點：1、反應一步完成。反應決速步驟中有兩種分子參與反應，是雙分子消除反應。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)試劑進攻的是β-H

，進攻的難易程度只與β-H上的位阻有關，與RX的位阻無關。

(2)上述三類鹵代烴中3。RX生成的烯烴最穩(wěn)定。第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日實際上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。在離子型消除反應中，按E2歷程進行的比較多，而在E2歷程中反應完全按協(xié)同歷程進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。實際上E1通過E2到E1cb是一個連續(xù)變化的過程。這一概念叫作E2可變過渡態(tài)理論，下圖簡略地描述了這種變化。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日下圖簡略地描述了這種變化:

E2、E1、E1CB的關系：EICB似E1CBE2似E1E1L首先離去L與H同時離去H+首先離去第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、影響反應機理的因素進行消除反應究竟按何種歷程，其過渡態(tài)屬于哪種類型，取決于反應物的結構、堿的強弱、離去基團的性質(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與親核取代反應的相互競爭。試劑進攻α-碳原子就引起取代反應，進攻β-氫就引起消除反應。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日取代與消除可由同一試劑進攻引起，這兩種反應相互競爭。如下圖：第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1底物的結構反應底物分子中α-或β-碳上存在的取代基對消除反應機理有四種影響：

1）α-和β-取代基對過渡態(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β-H酸性及過渡態(tài)中初期的碳負離子穩(wěn)定性施加的影響；

3）α取代基對過渡態(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。第1）和4）項對所有三種反應機理都有影響，但空間效應對E2機理影響最大；第2）項對E1cb機理有影響，對E1機理沒有影響；第3）項對E1機理有影響，對E1cb機理沒有影響。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日當α-碳原子上連有烷基及芳基時能使形成的碳正離子中間體穩(wěn)定，反應將傾向于按E1歷程進行。當β-碳原子上連有烷基時，由于它的供電子效應使β-氫原子的酸性減小，故使反應向著E1歷程轉(zhuǎn)變。當β-碳原子上連有芳基時使形成的碳負離子穩(wěn)定,反應歷程向著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，又能使碳負離子穩(wěn)定；但若吸電子基團處于α-位則幾乎沒有影響，除非與雙鍵共軛。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日對于雙分子反應（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⊿N2歷程）不利，增加消除反應產(chǎn)物的比例。

第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日2堿的影響堿越強，濃度越大，利于E1CB、E2機理。反之，利于E1機理。在E1歷程中，一般不需要加堿，此時溶劑起著堿的作用。當增加額外的堿時，反應歷程將由E1歷程向E2歷程轉(zhuǎn)變。增加堿的濃度或用更強的堿則使反應歷程向E1-E2-E1cb歷程方向移動。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和有機堿。在有機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，共四十八頁，2022年，8月28日堿對SN1和E1的反應速率沒有影響，但堿的性質(zhì)不同程度地影響著SN2和E2的競爭和產(chǎn)物相對量。強堿有利于E2，在非離子化溶劑中，高濃度的強堿對雙分子歷程有利，并且對E2比對SN2更為有利。在離子化溶劑中，用低濃度的堿或完全不用堿，對單分子歷程有利，并且對SＮ1比對E1歷程有利。弱堿有利于取代反應，但如在極性非質(zhì)子溶劑中反應時，消除反應可占優(yōu)勢。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日堿性和親核性是相關又易混淆的概念。堿性指對質(zhì)子的反應活性。在E2反應中，是指奪取β-氫的能力。親核性是指對缺電子碳原子的反應活性，在SN2反應中是指進攻α碳原子的能力。試劑的堿性與親核性通常不是嚴格平行的關系。一般認為，強堿也具有較強的親核性能，如伯鹵代烷與NaOH~H2O反應，取代和消除同時發(fā)生。弱堿難于進攻β—氫，但對α碳原子的進攻能力不一定差，I-、CH3COO-為弱堿但親核性能較強，因此主要發(fā)生SN2反應。以鹵代烷制備烯烴時，需要采用高濃度的強堿，或用選擇性強、體積大的堿；而用鹵代烷制備醇等取代產(chǎn)物時，則需要弱堿以減少烯烴的形成。第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日3離去基團離去基團越易離去，利于E1機理。較好的離去基團有利于離子化作用對E1反應歷程有利，也有利于E２歷程。較差的離去基團或帶正電荷的離去基團使反應按E1cb歷程進行，因為強的吸電子基使β-氫原子的酸性增加，有利于E1cb反應歷程。帶正電荷的離去基團，由于具有強-I效應，β-氫酸性增強，易被堿進攻而增加消除產(chǎn)物比例，與之競爭的取代反應較難發(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，共四十八頁，2022年，8月28日（4）溶劑的影響如果溶劑化作用是穩(wěn)定了反應物，使反應物的能量降低，活化能就會升高，就會減緩反應速度，不利于反應的進行。例如：極性大的溶劑對E1和SN1反應有利：

第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日極性大的溶劑對雙分子反應（SN2和E2）不利，因為極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，共四十八頁，2022年，8月28日由于E2反應過渡態(tài)的電荷比SN2反應過渡態(tài)的電荷分散，所以，極性大的溶劑對E2更不利。SN2與E2反應過渡態(tài)負電荷分散程度第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（5）溫度的影響升高溫度對取代和消除都有利，但是升高溫度對消除更有利。因為消除反應除要斷裂C-X鍵外還要拉長β-C-H鍵，這樣形成過渡態(tài)所需的活化能比取代反應要大，因此提高反應溫度往往可以增加消除產(chǎn)物的比例。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

一般強堿、高溫、弱極性溶劑有利于消去反應，因此水解反應在水溶液中進行，而消去反應在醇溶液中有利。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日伯鹵代烴的消除反應只有一種方式，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、消除反應的取向第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日次要產(chǎn)物29%主要產(chǎn)物71%βββ消除反應主要產(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，共四十八頁，2022年，8月28日練習：寫出下列反應的主要產(chǎn)物查依采夫(Saytzeff)規(guī)則的實質(zhì)：越穩(wěn)定的烯烴越容易生成。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日五、E2反應的立體化學E1、E1CB不具有立體選擇性。在發(fā)生消除反應時，所涉及消除的兩個基團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?，共四十八頁?022年，8月28日E2按反式消除順式消除第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日一般來說，E2反應對分子中被消除的兩個基團H和L的立體化學要求是反式或?qū)ο蛳?，在過渡態(tài)時兩個被消除基團處于反式共平面的構象，如下面的示意圖。隨著C—L鍵和β-C—H鍵的逐漸拉長斷裂，兩個與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反應時，所涉及的H、C、C和L應處于同一平面上，H和L在C—C鍵的兩側(cè)。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日例如：1-溴-1，2-二苯丙烷按E2歷程進行消除反應時，其中一對對映體只生成順式-1，2-二苯丙烯，第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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

第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日具有反式氫處于反式的氫在e鍵上，與OTs不在一個平面上，反應按E1機理進行。消除速度更快