第三章 消除反应

第三章消除反应消除反应（EliminationReaction）是指从有机分子中排除去一个小分子或两个原子或基团，生成双键、叁键或环状结构化合物的反应。1、消除反应的分类（1）α-消除（或1,1-消除）反应（2）β-消除（或1,2-消除）反应CHRRXCRRCCHXHHRRRCHCHR+HXRCCRHXRCHCHRHX通过β-消除不仅可以形成碳碳双键、碳碳叁键，而且还可以形成碳氧双键、碳硫双键、碳氮双键、氮氮双键和碳氮三键。（3）γ—消除（或1,3-消除）反应另外还有1,4-消除和1,5-消除反应等等。本章重点讨论β-消除反应。+HXRRRRXH3.1β-消除反应3.1.1β-消除反应的历程β-消除反应既可以在液相中发生，也能在气相中进行(指热消除反应，后面将要介绍)。在液相中进行的消除反应一般为离子历程，根据共价键断裂和生成的次序，可分为以下三种机理。1、单分子消除反应历程（E1）反应速度＝K[R-L]与SN1反应类似，都是分两步进行，中间体都是碳正离子，因此两者常为竞争反应。碳正离子形成后，如果进攻试剂是亲核试剂，作用于带正电荷的α-碳原子，反应结果为取代反应；如果进攻试剂是碱，作用于β-氢原子，则反应结果为消除反应。所以，较强的碱有利于E1反应。CHCLCCCHC+-L-,慢-H+,快2、双分子消除反应历程(E2)反应速度＝K[R-L][B-]E2和SN2常为竞争反应，两者的区别在于：带孤对电子的试剂，如作为亲核试剂进攻α-碳原子时发生SN2反应；如作为碱进攻β-氢原子时，则发生E2反应。离去基团（L）可为：X=+NR3,+PR3,+SR2,SO2R,Cl,Br,I,OSO2R,OCOR等；常用的碱（B-）有：NR3,CH3COO-,HO-,-OR,-NH2和CO32-等。CLCH+B-CLCHBCC+BH+L-3、共轭碱单分子消除反应历程（E1cb）反应速度＝K[R-L][B-]和E1历程相似，E1cb也是两步反应，所不同的是后者的中间体是碳负离子，前者的中间体是碳正离子。简单的卤代烷和烷基磺酸酯一般不发生E1cb反应，只有在β－碳原子上连有－NO2、－C=O、－CN等吸电子基团时，有利于按E1cb历程进行反应，因为吸电子的原子团位于β－碳原子上时，有利于质子转移给碱，并使形成的碳负离子稳定。第一步B+CCXHk1，慢k-1CCX+BH第二步CCXk2CC+XOAcPhHNO2OAcPhNO2:_PhNO2+CH3O--CH3COO-3.1.2消除反应的择向1、E1历程决定消除反应的方向，主要是生成的烯类的稳定性，在此情况下遵从扎依采夫定则，形成在不饱和碳原子上有烃基最多的烯烃（超共轭来解释）。CHCHXCH3RRCCHCH3RRCHCHCH2RR+HX+HX（扎依采夫定则）（霍夫曼定则）不遵从扎依采夫定则的产物是由于空间效应更为稳定。2、E2历程（1）当被消除的原子或原子团带正电荷时（+NR3，+SR2），β氢原子的相对酸性决定消除反应的方向，遵从霍夫曼法则；CHCHCH3S(CH3)2CH3H3CCCHCH3CH3H3CCHCHCH2CH3H3C查依采夫产物14%霍夫曼产物86%ββ'α较大酸性较小酸性Me3CCH2CMe2Me3CCH2CCH3CH3CCMe3CCH2CCH3CH2(81%)(19%)（扎依采夫产物）（霍夫曼产物）ClHMe3CMeMe（2）如果β`碳原子上连有强有力的吸电子原子团，如-COR，-NO2，-SO2R，-CN，-C6H5等，遵从扎依采夫法则；（3）被消除的原子或原子团为电中性时，遵从扎依采夫法则；CH2CHCH3N(CH3)2PhCH2CHCH2PhCHCHCH3ββ'α主要CH2CCH2H3C查依采夫产物81%霍夫曼产物19%H3CCH2CCH3BrCH3ββ'H3CCHCCH3CH3CH3（4）难离去的原子团有利于按霍夫曼定则进行；（5）如果发生消除反应的化合物的分子中已有双键（C=C或C=O）存在，并且和新形成的双键共轭，此种共轭产物占优势。CH3CH2CH2CH2CHCH3Ft-BuO-CH3CH2CH2CH2CHCH23.1.3消除反应的立体化学消除反应的立体化学，通常指顺位消除或反位消除问题。1、E2消除反应的立体化学E2消除反应中，过渡态所涉及五个原子（包括碱）必须位于同一平面。（1）一般情况下反式消除更有利，因为在（I）中为对位交叉构象，这种过渡态的能量比重叠式构象（II）所需的能量小。CCHBLCCCCHBL(II)(I)例如：1-溴-1，2-二苯丙烷按E2历程进行消除反应时，其中一对对映体只生成顺式-1，2-二苯丙烯。又如氯代反丁烯二酸脱氯化氢的反应速度比顺式二酸快48倍，反式消除作用比顺式消除作用占优势。C6H5C6H5CH3HBrHC6H5HBrC6H5CH3HBCH3C6H5HC6H5(1R,2R)CCClHO2CHCO2HCCCO2HCO2HCCClHCO2HCO2HCCCO2HCO2H+HCl碱+HCl碱；反式比顺式快48倍（2）在六员环中相邻的处于反式的原子或原子团可为直立键或平伏键，离去原子团的反式交叉构象要求这两个消除的原子或原子团为直立键，即使这种构象具有较高的能量。(III)HHMeHHClCHMe2H(II)HHMeHClHCHMe2H(I)HHHMeHClHCHMe2(V)MeCHMe2(IV)MeCHMe2100%1234123425%氯化萜氯化新萜（3）通常反式消除占优势，但碱的状态（即以游离状态或是以离子对存在）能影响顺式与反式作用。（I）弱电离的溶剂促进不带电荷的离去原子团的顺式消除。这是由于在非极性溶剂中碱很可能以离子对的形式存在。在过渡态中离子对中的负离子作为碱，而正离子帮助离去原子团的脱离。HXMROCC+ROH+M+X（II）当离去原子团带正电荷时，游离的碱增加顺势消除的量当离去原子团带正电荷时，游离的碱进攻离去原子团，并处于有利进攻顺式β氢的位置发生顺式消除，但离子对将减少这种进攻。CCHNHMeOR2、E1消除反应的立体化学与E2历程相比，E1历程的反应立体选择性较差。因为在E1反应中，首先生成具有平面构型的碳正离子，此时反式消除和顺式消除的几率应该一样。但是，与SN1反应的立体化学类似，假如，离去基团尚未充分远离，即碳正离子尚未能形成平面构型之前，而消除反应已经完成，则优先生成反式消除产物。这是由于离去基团尚未充分远离，质子由顺势位置离去，在能量上是不利的。3.1.4影响消除反应的因素在消除反应中，作用物的结构、离去基团的性质、试剂的碱性强度、溶剂的极性等对反应活性、反应历程及消除与取代的比例关系等都有影响。1、化合物结构的影响（1）无论是E1还是E2消除反应，当α或β碳原子上连有芳基Ar、烯基C=C或碳基C=O时，都将使反应速率增加;（2）反应物中的α碳原子上连有烷基及芳基时能使形成的碳正离子中间体稳定，反应将倾向于按E1历程进行；（3）当β碳原子上连有烷基时，由于它的供电子效应使β氢原子的酸性减小，故使反应向着E1历程转变；当β碳原子上连有芳基时使形成的碳负离子稳定，反应历程向着E1cb历程转变。（4）位于β碳原子上的吸电子基，不仅能增加氢原子的酸性，又能使碳负离子稳定；但若吸电子基团处于α位则几乎没有影响，除非与双键共轭。例如Br、Cl、CF3、CN、OTs、NO2、C＝O、SR等基团处于β位都会增加E2消除反应的速率，CF3、NO2的强吸电子作用甚至可能将反应移向E1cb历程。（5）对于双分子反应(SN2和E2)，α碳原子上的支链增多有利于消除反应；若β碳原子上的烷基多或体积大，因位阻原因对取代反应(SN2历程)不利，消除反应产物的比例增加。(CH3)2CHBrEtOH/NaOEtCH3CHCH2取代产物78％22％CH3CH2BrEtOH/NaOEtH2CCH2CH3CH2OCH2CH31%99%（6）对于单分子反应，α碳原子上支链增多时也会增加消除反应的倾向，这是由于立体效应造成的。2、离去基团的影响（1）好的离去基团有利于E1历程，而弱的离去基团和带正电荷，使反应向E2方向转移。+-3、试剂的影响（碱的影响）（1）在单分子反应里，反应速度与碱的强弱和浓度无关。但增加碱的浓度或使用更强的碱则使反应向E1-E2-E1cb历程转变；正常的E2历程可用下列碱来完成：H-,NR3,OH-,-OCOCH3RO-,ArO-,NH2-,CO32-,I-,CN-,LiAlH4和有机碱。在有机合成中重要且常用的碱为OH-、RO-和NH2-，通常用它们的共轭酸H2O、ROH、NH3作溶剂。（2）强碱对β氢原子和α碳原子作用都很强；如伯卤代烷与NaOH/H2O反应，取代和消除同时发生。弱碱和α碳作用较易，难于或甚至不能进攻β氢原子。例如，I-和CH3COO-虽为弱碱，但亲核性能较强，主要发生SN2反应。在OH-、C6H5O-、CH3COO-和Br-等试剂系列中，E2反应所占比例依次降低，而SN2反应所占比例依次上升。4、溶剂的影响（1）在E2和SN2反应中电荷分散程度大于E1和SN1反应，增加溶剂的极性通常对E1和SN1历程比E2和SN2历程更为有利，因此极性大的溶剂代替极性小的溶剂，可能使消除反应历程由E2转向E1。（2）溶剂的极性增大，SN2和E2均减速，但E2反应的过渡态中电荷分散比SN2中更大，因此，当溶剂的极性增大时，E2消除反应比SN2取代反应的反应速度减小得更多。B+HCCXCCHBXδδHCCXBδδSN2E2HCCXδδSN1E1-XHCC+B+BHCCBδHCCδB（3）在E1反应的过渡态中电荷分散程度比在SN1的过渡态中大，因此，溶剂极性增大时，E1和SN1均减速，且E1反应减速更多。因此，总的结果是提高溶剂极性时，所生成烯烃量减少。5、温度的影响消除反应活化过程需要拉长C-H键，通常比取代反应所需活化能大，且活化能越大，温度系数也越大，越容易受温度的影响。无论是E1还是E2历程，升高温度都有利于消除反应，因此要得到烯烃常在较高温度下进行反应。3.1.5热裂消除反应在没有酸碱催化情况下，仅籍加热而进行消除，以生成烯类的反应为热裂消除反应。OHCHCHROCH3R400~600℃OHCHCHROCH3RCH3COOH2RCHCHR1、热消除反应遵从Hofmann规则，反应的取向决定于可利用的β-H原子数，例如热解得到55％～62％的1-丁烯和38％～45％的2-丁烯，这个比例接近于可利用的氢原子数比3：2。HHCOOC2H5HOCOCH3H435℃COOC2H5CH3CH2CHCH3OCOCH32、按热裂消除机理的化合物主要有：黄原酸酯、羧酸酯、硫代羧酸酯、叔胺的N－氧化物。习题：写出反应物1、2、