高等有机第五章+消除反应

第五章消除反应一、消除反应类型消除反应：是从一个化合物分子中消除两个原子或原子团的反应。它包括：β－消除:(1,2-消除)在相邻的两个碳原子上的原子或基团被消除，形成双键或叁键。1，2－消除CCNuECCNuE+α－消除:(1,1-消除)从同碳原子上消除两个原子或基团，形成卡宾：CNuEC+NuECF3COONaCFCO2NaF++△2γ-消除：(1,3－消除)CCCNuECCC+NuERCH2CH2OH+HXRCH2CH2X+H2ORCHCH2++H2OHX饱和碳原子进行亲核取代反应时，常伴随消除反应的发生：CH3CHCH2CHCH2CH3BrBrZnAcOHβ-消除最为常见。5.1E1、E2、E1cB3种消除机理—E1,E2,andE1cBLGHHLG-LG-H-H-H-LG-LGE1E2E1cB5.1.1单分子消除,E1CCHLCCH慢CCL+Hυ=kCCHL1）机理(CH3)3CCl80%EtOH－H2O(CH3)2CCH2(CH3)3COH80%EtOH－H2O(CH3)3CS(CH3)3(CH3)3Ck=89.7×105mol.L-1s-1k=11.8×105mol.L-1s-1底物不同产物相同反应速率不同经过相同的中间体5.1.2共轭碱单分子消除,E1cBCLCHBCLC+HBCCL慢CC+L共轭酸共轭碱按E1CB机理进行反应底物结构特征：①当β－氢被吸电子基团活化时，如β－C连有COCH3,NO2，Me3N+等基团；OCCH3OHNO2HCH3OOCCH3OHNO2NO2②L是难离去基团。5.1.3双分子消除,E2CCHLCC+HB+LBCCHLBδδυ＝k[底物][:B]B:中性或带负电荷，如：OR－，OH－，NH2－，I－，RLi等。除X－外，OSO2－，RCOO－，NR3+，NO2－，CN－，SR2+等也会消去。L:5.1.4同位素效应CCHLCC+HB+LBCCHLBδδkHkDCCHLCC+HB+LBCCHLBδδDDD在消除反应中，当β-H被D取代后，消去反应速度下降，这种现象称为同位素效应。E2：kH/kD=2~8E1：kH/kD=2~8E1cB：kH/kD≈1.05.1.5E2、E1、E1cB的关系：E1似E1E2似E1CBEICBL首先离去L与H同时离去H+首先离去一、化合物的结构能使碳正离子稳定的因素有利于E1；能使碳负离子稳定的因素有利于E1cB；二、碱性试剂E1中溶剂起碱的作用；加碱使消除机理移向E2，极性质子溶剂有利于E2；浓的强碱使机理移向E1cB；三、离去基团特易离去，有利于E1；易离去，有利于E2；不易离去，有利于E1cB。四、溶剂和温度5.2β-消除反应的区域选择性5.2.1Zaitsev规则和Hofmann规则CH3CHCH2CH3Br-OCH3CH3CH=CHCH3CH2=CHCH2CH3+CH3CHCH2CH2CH3Cl-OHCH3CH=CHCH2CH3CH2=CHCH2CH2CH3+80%20%67%33%CH3CCH2CH3ClCH3-OHCH2=CCH2CH3CH3CH3C=CHCH3CH3+70%30%Zaitsev规则:主要产物为双键烷基取代基最多的烯烃。CH3CH2NCH3CH3CH2CH2CH3ββ'OHH2CCH2+CH3CHCH2(98%)(2%)Hofmann规则:主要产物为双键烷基取代基最少的烯烃。5.2.2E1反应的区域选择性——主要是Zaitsev产物知识点1：醇在酸性条件下脱水生成烯烃，Zaitsev产物的比例高于卤代烃的E1消除。XE1+X=I,Br,Cl82%18%OH+95%5%BF3.OEt2原因：在酸性溶液中，烯烃加质子生成碳正离子，与碳正离子加质子生成烯烃是一个平衡反应。结果生成稳定性比较高的烯烃。++H-HE知识点2：可能有重排产物的生成：CH3CCH3CH3CH2BrEtOHCH3CCH3CH3CH2CH3CCH3CHCH3HBrCCH3CH3CCH3HHWanger-Meerwein重排P556例子5.2.3E2反应的区域选择性CCHLCC+HB+LBCCHLBδδE2机理：过渡态越稳定，越容易生成，反应的活化能越低，反应速度越快。一般地，E2反应的区域选择性符合Zaitsev规则原因：E2过渡态有一定的双键性质，双键上取代基越多，结构越稳定，生成的活化能越低。但是，离去基团的离去倾向、碱的强度和体积大小以及底物的结构对区域选择性都有影响。•（1）碱的结构•随着碱的体积增大，Hofmann产物增加。BrCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH-CCH3+RO-CH3C=CCH3BaseCH3CHC=CH2+MoresubstitutedproductLesssubstitutedproductCH3CH2O-(CH3)3CO-CH3CH2(CH3)2CO-19%81%(CH3CH2)3CO-8%92%79%21%73%27%Hofmann产物Zaitsev产物（2)离去基团CH3O-LeavinggroupConjugateacidpKaX=IX=BrX=ClX=FHIHBrHClHF-10-9-73.281%72%67%30%19%28%33%70%X+ABBA离去基团越容易离去，Zaitsev规则产物越多。P556例子离去基团的离去性差，-H有先离去生成碳负离子的倾向，机理可能倾向于E1cB（3）底物结构CH2=CHCH2CHCHCH3CH2=CHCH=CHCHCH3CH2=CHCH2CH=CCH3HO-+ClCH3CH3CH3CH2CHCHCH3BrCH3HO-CH=CHCHCH3CH3CH2CH=CCH3CH3majorproductminorproductmajorproductminorproduct+共轭烯烃更容易形成一般地：卤代烃和醇地消除反应主要符合Zaitsev规则；季铵碱热消除主要符合Hofmann规则。5.3E2反应的立体化学5.3.1顺式消除和反式消除•稳定构象是交叉式，H与L反式共平面。•所以E2消除的立体化学特点是反式消除E2过渡态有一定的烯烃性质要求Cα-L键与Cβ-H的键轴处于同一平面Cα-L键与Cβ-H的键轴处于同一平面的情况只有两种：CCHLCC+HB+LBCCHLBδδαβXHXHanti-planarastaggeredconformersyn-periplanaraneclipsedconformerαβαβLL5.3.2开链化合物的E2反应反式消除——例1：CH3CHCH2CH2CH3Br-OEtCH3CH=CHCH2CH3CH2=CHCH2CH2CH3+majorproductminorproductHOEtCCHH3CCH2CH3HCCHH3CHCH2CH3(E)41%(Z)14%H3CH2CHHXHCH3HHCH2CH3XHCH3:B:B-X-X例2：•(2S,3S)-2-溴-3-苯基丁烷消去得到(E)-2-苯基-2-丁烯•而(2S,3R)-2-溴-3-苯基丁烷消去得到(Z)-2-苯基-2-丁烯HH3CC6H5BrHH3CC2H5O－CCH3CHCH3C6H52S,3S－E－HBrHH3CC2H5O－CCH3CHCH3C6H5C6H5CH32S,3R－Z－5.3.3环状化合物的E2β-消除反应t-BuBrt-BuBrEtONat-BuEtONaK1K2HHHXgroupstobeeliminatedmustbeinaxialpositionsH与X必须都处在直立键上，才能反式共平面发生消去。处于平伏键上不能共平面。K1=500K2Bu-tBrHH顺叔丁基环己醇的对甲苯磺酸酯在强碱存在下容易起E2反应：t-BuOTsEtONat-Bu750HH而反式异构体在相同条件下，反应速率很慢，有可能通过E1进行。t-BuOTsEtONat-Bu750t-Bu-H在甾族化合物中，α-型和β-型取代物的性质往往有显著的差异，以胆甾烷衍生物为例：CH3H3CHHO胆甾醇CH3H3CHHO胆甾醇CH3NMe3HHCH3Me3NHHCH3H不生成烯烃α-型，由于+NMe3与β-H反式共平面，可以消去生成烯烃β-型，由于+NMe3与β-H无法共平面，不能消去生成烯烃在以下两种情况下，顺式消除也可能发生：BrDHHH(CH3)3CO(94%)氢化原菠烷基溴由于环的刚性，Br－Cα－Cβ－H不能同处一个平面，但Br－Cα－Cβ－D共平面。是顺叠构象，所以进行顺式消除。ArHbHOTsHHa(CH3)3COKAr+Ar(89.2%)(10.8%)Ha与芳环同碳相连，其活泼性比Hb高，故发生顺式消除。①空间条件不允许反式消除②顺式β－H更活泼4.41,2-二溴化物和1,2-二醇的消除反应4.4.11,2-二溴化物(±)-1,2二溴-1,2-二苯基乙烷在I-的作用下，生成顺-1,2-二苯乙烯，而meso-异构体在同样条件下生成反-1,2-二苯乙烯。BrHC6H5BrC6H5HCCHC6H5HC6H5NaI/MeOHBrC6H5HBrC6H5HCCHC6H5C6H5HNaI/MeOH(±)-meso-顺反原因——反式消除BrBrBrIIBr用82Br标记的1,1,2-三溴环己烷:BrBrBrHBrBr828282+NaI/EtOH100%0%Zn/EtOH89%11%•在Zn,Mg,I–存在下，1,2-二溴化物反式共平面消除CCXXZnCCXZnXCC+ZnX2CCXXMgCCXMgXCC+MgX2CCBrBrCCI-4.4.21,2-二醇1,2-二醇先转变成硫代碳酸酯，再与亚磷酸酯一起加热，即生成烯烃。CCHOCH2PhHHPhH2COHClCClSDMAPCCOCH2PhHHPhH2COCSP(OMe)3---CO2---(MeO)3PSCCHCH2PhHPhH2C利用这个反应可一制备一些不容易得到的顺式烯烃。4.5热解消除反应热解消除反应：在无外加试剂存在下，在惰性溶剂中，或无溶剂情况下，通过加热，失去β－氢和离去基团，生成烯烃。OCOHHHHROCOHHHHRRHHH+HOCRRRO反应特点：1)不需碱作催化剂2)环状过渡态机理3)通常是顺式消除。RCH2CHOCOCH3R'RCH2CHOCSCH3R'S进行热解消除反应的底物：P562例子1.羧酸酯的热消除：PhCHCHOCCH3DPhO赤型OCOHCH3PhDPhH△PhHDPh(主)OCOHCH3PhDPhH△PhHPhH(痕量)前者是稳定的构象，两个苯基处于对位；后者两个苯基处于邻位，构象不稳定，其热消除的产物很少。CH3CHCHCH3CH3△H2CCHCHCH3CH3(80%)+CH3CHCCH3CH3(20%)OCOCH3热消除遵循Hofmann规则，优先得到取代程度较低的烯烃。2.Cope反应CH3CH2CHCH3N(CH3)2O△CH3CHCHCH3+CH3CH2CHCH2Cis:12%Trans21%67%CH2N(CH3)2H2O2CH2N(CH3)2O△CH2+(CH3)2NOHP563例子NCCHHOCH2H3CCH3H3CNCHCH2OCH2H3CH3CH3CHNHCCH2OHCH2H3CCH3H3C反应经过五元环状过渡态进行，为顺式消除此反应常用来制备非共轭烯烃或环外烯烃。H2CCHCH2CH2CH2N(C2H5)2OH2CCHCH2CH=CH24.6α-消除反应实例：氯代甲烷与弱碱如六氢吡啶的亲核取代反应相对速度：CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl487410.01CH3ClCH2Cl2CHCl3在强碱如氢氧化钠中的相对速度：0.00130.00021两种反应的机理可能不同。SN2较特殊卡宾机理：CHCl3CCl3:CCl2OH-H+---Cl-二氯卡宾在一个C原子上同时脱掉H和Cl，α-消除。卡宾的结构：中心碳原子有六个价电子，其中四个处于两个σ键中，另两个游离。中性、两价。C:HH活性中间体证明卡宾的存在：1、CHCl3在碱存在下能与氘水起同位素交换反应DO+CHCl3DOH+CCl