第六章 消除反应

第六章消除反应第1页，共48页，2023年，2月20日，星期三教学目的与要求1、掌握β-消除反应机理：E2、E1、E1CB；影响反应机理的因素，消除反应的定向；E2反应中的立体化学（重点和难点）。2、了解其它消除反应教学课时：2第2页，共48页，2023年，2月20日，星期三一、消除反应类型β－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。α－消除:从同碳原子上消除两个原子或基团，形成卡宾：1,1－消除第3页，共48页，2023年，2月20日，星期三1，3－消除：饱和碳原子进行亲核取代反应时，常伴随消除反应的发生：第4页，共48页，2023年，2月20日，星期三二、消除反应的机理根据离去基团和β－氢从分子中离去的顺序，分为三种机理：单分子消除反应E1共轭碱单分子消除(E1CB)机理双分子消除反应E2第5页，共48页，2023年，2月20日，星期三1.单分子消除反应(E1)机理反应活性：对于烷基：3°>2°>1°>CH3

首先反应物的离去基团在溶剂的作用下带着一对电子离去生成碳正离子，第二步为碳正离子以质子形式失去一个β-H生成烯烃。第6页，共48页，2023年，2月20日，星期三E1反应过程第一步产生正碳离子，C由Sp3杂化转变为Sp2杂化。第二步在强碱作用下βC-H

逐渐断裂，同时形成双键。第7页，共48页，2023年，2月20日，星期三E1和SN1反应的第一步都是生成碳正离子，不同的是在第二步。E1的第二步是亲核试剂进攻β-碳上的氢原子，使氢以质子的形式脱去而形成烯烃；SN1则是亲核试剂直接与正碳离子结合得到取代产物。所以，这两类反应是相互竞争、伴随发生的。E1机理的速度决定步骤中，碱不起作用，但对碳正离子的前途即E1与SN1的竞争却起着至关重要的作用，较强的碱有利于E1反应。第8页，共48页，2023年，2月20日，星期三按E1机理进行反应的实例：底物不同产物相同反应速率不同经过相同的中间体第9页，共48页，2023年，2月20日，星期三正碳离子的重排：这是SN1和E1的标志

例如：第10页，共48页，2023年，2月20日，星期三E1反应特点：反应分两步进行。第一步产生中间体正碳离子，是决速步骤，这一步中只有一种分子参与反应，所以是单分子消除反应。反应活性取决于中间体正碳离子的稳定性。第11页，共48页，2023年，2月20日，星期三2.共轭碱单分子消除(E1CB)机理共轭酸共轭碱碱首先夺去β-H生成底物的共轭碱碳负离子，随后离去基团带着一对电子离去形成π键。第二步从反应物的共轭碱碳负离子生成双键的反应也是单分子消除反应，称为E1CB（CB表示反应物的共轭碱）或称碳负离子历程。第12页，共48页，2023年，2月20日，星期三按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：COCH3,、NO2、Me3N+等；②L是难离去基团。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期三E1CB机理证明同位素交换当反应进行一半时测定，产物中有(II)生成，表明H与D的交换发生，说明中间体C

－的存在。第14页，共48页，2023年，2月20日，星期三3.双分子消除反应（E2）试剂进攻β-H的同时C-X键逐渐断裂，反应经过中间过渡态一步完成，其反应速率与反应物和亲核试剂的浓度成正比，所以叫双分子消除反应（E2）。按E2反应的底物特征：伯卤代烷、仲卤代烷、一级烷基季铵盐等。第15页，共48页，2023年，2月20日，星期三E2反应历程反应一步完成。碱性试剂进攻βC上的H，逐渐与

β-H结合，同时C-X键在溶剂作用下逐渐断裂。第16页，共48页，2023年，2月20日，星期三E2和SN2的不同点：在SN2反应中亲核试剂进攻的是α-碳原子，而在E2中进攻的是β-氢原子。由于E2和SN2的反应机理很相似，所以，这两类反应是相互竞争、伴随发生的。第17页，共48页，2023年，2月20日，星期三E2反应特点：1、反应一步完成。反应决速步骤中有两种分子参与反应，是双分子消除反应。2、卤代烷的E2的速度顺序与E1一样为：3。RX>2。RX>1。RX

。原因：(1)试剂进攻的是β-H

，进攻的难易程度只与β-H上的位阻有关，与RX的位阻无关。

(2)上述三类卤代烃中3。RX生成的烯烃最稳定。第18页，共48页，2023年，2月20日，星期三实际上E1、E2和E1cb是三种极限历程，在它们之间还有很多中间类型的历程。在离子型消除反应中，按E2历程进行的比较多，而在E2历程中反应完全按协同历程进行的仅是一种理想状况。如果C-H键的断裂先于C-X键的断裂及π键的形成，在过渡态时键的断裂的程度C-H键大于C-X键，这种过渡态与E1cb类似；如果C-X键的断裂先于C-H键的断裂及π键的形成，在过渡态时键的断裂的程度C-X键大于C-H键，这种过渡态与E1类似。实际上E1通过E2到E1cb是一个连续变化的过程。这一概念叫作E2可变过渡态理论，下图简略地描述了这种变化。第19页，共48页，2023年，2月20日，星期三下图简略地描述了这种变化:

E2、E1、E1CB的关系：EICB似E1CBE2似E1E1L首先离去L与H同时离去H+首先离去第20页，共48页，2023年，2月20日，星期三三、影响反应机理的因素进行消除反应究竟按何种历程，其过渡态属于哪种类型，取决于反应物的结构、碱的强弱、离去基团的性质、溶剂、温度等因素。另一方面，亲核试剂可以看作碱，碱也具有一定的亲核性。因此同一亲核试剂或碱常引起消除反应与亲核取代反应的相互竞争。试剂进攻α-碳原子就引起取代反应，进攻β-氢就引起消除反应。第21页，共48页，2023年，2月20日，星期三取代与消除可由同一试剂进攻引起，这两种反应相互竞争。如下图：第22页，共48页，2023年，2月20日，星期三1底物的结构反应底物分子中α-或β-碳上存在的取代基对消除反应机理有四种影响：

1）α-和β-取代基对过渡态中初期的双键施加的稳定或不稳定影响；

2）β-取代基对β-H酸性及过渡态中初期的碳负离子稳定性施加的影响；

3）α取代基对过渡态中初期的碳正离子稳定性施加的影响；

4）α-和β-取代基的空间效应。第1）和4）项对所有三种反应机理都有影响，但空间效应对E2机理影响最大；第2）项对E1cb机理有影响，对E1机理没有影响；第3）项对E1机理有影响，对E1cb机理没有影响。第23页，共48页，2023年，2月20日，星期三当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。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。同样位于β-碳原子上的所有吸电子基，不仅能增加β-氢的酸性，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。第24页，共48页，2023年，2月20日，星期三对于双分子反应（SN2和E2），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，增加消除反应产物的比例。

第25页，共48页，2023年，2月20日，星期三2碱的影响碱越强，浓度越大，利于E1CB、E2机理。反之，利于E1机理。在E1历程中，一般不需要加碱，此时溶剂起着碱的作用。当增加额外的碱时，反应历程将由E1历程向E2历程转变。增加碱的浓度或用更强的碱则使反应历程向E1-E2-E1cb历程方向移动。正常的E2历程可用下列碱来完成：H－,NR3,OH－，－OCOCH3,RO－,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。第26页，共48页，2023年，2月20日，星期三碱对SN1和E1的反应速率没有影响，但碱的性质不同程度地影响着SN2和E2的竞争和产物相对量。强碱有利于E2，在非离子化溶剂中，高浓度的强碱对双分子历程有利，并且对E2比对SN2更为有利。在离子化溶剂中，用低浓度的碱或完全不用碱，对单分子历程有利，并且对SＮ1比对E1历程有利。弱碱有利于取代反应，但如在极性非质子溶剂中反应时，消除反应可占优势。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期三碱性和亲核性是相关又易混淆的概念。碱性指对质子的反应活性。在E2反应中，是指夺取β-氢的能力。亲核性是指对缺电子碳原子的反应活性，在SN2反应中是指进攻α碳原子的能力。试剂的碱性与亲核性通常不是严格平行的关系。一般认为，强碱也具有较强的亲核性能，如伯卤代烷与NaOH~H2O反应，取代和消除同时发生。弱碱难于进攻β—氢，但对α碳原子的进攻能力不一定差，I-、CH3COO-为弱碱但亲核性能较强，因此主要发生SN2反应。以卤代烷制备烯烃时，需要采用高浓度的强碱，或用选择性强、体积大的碱；而用卤代烷制备醇等取代产物时，则需要弱碱以减少烯烃的形成。第28页，共48页，2023年，2月20日，星期三3离去基团离去基团越易离去，利于E1机理。较好的离去基团有利于离子化作用对E1反应历程有利，也有利于E２历程。较差的离去基团或带正电荷的离去基团使反应按E1cb历程进行，因为强的吸电子基使β-氢原子的酸性增加，有利于E1cb反应历程。带正电荷的离去基团，由于具有强-I效应，β-氢酸性增强，易被碱进攻而增加消除产物比例，与之竞争的取代反应较难发生。如含有β氢的季铵碱在醇钠或加热条件下几乎完全得到消除产物。第29页，共48页，2023年，2月20日，星期三（4）溶剂的影响如果溶剂化作用是稳定了反应物，使反应物的能量降低，活化能就会升高，就会减缓反应速度，不利于反应的进行。例如：极性大的溶剂对E1和SN1反应有利：

第30页，共48页，2023年，2月20日，星期三极性大的溶剂对双分子反应（SN2和E2）不利，因为极性大的溶剂有利于电荷集中而不利于过渡态电荷的分散。

第31页，共48页，2023年，2月20日，星期三由于E2反应过渡态的电荷比SN2反应过渡态的电荷分散，所以，极性大的溶剂对E2更不利。SN2与E2反应过渡态负电荷分散程度第32页，共48页，2023年，2月20日，星期三（5）温度的影响升高温度对取代和消除都有利，但是升高温度对消除更有利。因为消除反应除要断裂C-X键外还要拉长β-C-H键，这样形成过渡态所需的活化能比取代反应要大，因此提高反应温度往往可以增加消除产物的比例。第33页，共48页，2023年，2月20日，星期三

一般强碱、高温、弱极性溶剂有利于消去反应，因此水解反应在水溶液中进行，而消去反应在醇溶液中有利。第34页，共48页，2023年，2月20日，星期三伯卤代烃的消除反应只有一种方式，而仲、叔卤代烷可能有多种方式。如：ββ主要产物81%次要产物19%四、消除反应的取向第35页，共48页，2023年，2月20日，星期三次要产物29%主要产物71%βββ消除反应主要产物是双键上连有最多取代基的烯烃，称为查依采夫(Saytzeff)规则。第36页，共48页，2023年，2月20日，星期三练习：写出下列反应的主要产物查依采夫(Saytzeff)规则的实质：越稳定的烯烃越容易生成。第37页，共48页，2023年，2月20日，星期三五、E2反应的立体化学E1、E1CB不具有立体选择性。在发生消除反应时，所涉及消除的两个基团H和L在C—C键的两侧或同一侧，分别称为反式消除或顺式消除。如下列示意图：

反式或对向消除顺式或同向消除第38页，共48页，2023年，2月20日，星期三E2按反式消除顺式消除第39页，共48页，2023年，2月20日，星期三一般来说，E2反应对分子中被消除的两个基团H和L的立体化学要求是反式或对向消除，在过渡态时两个被消除基团处于反式共平面的构象，如下面的示意图。随着C—L键和β-C—H键的逐渐拉长断裂，两个与L和H成键的碳原子的sp3轨道逐渐演变成p轨道并互相重迭生成π键。因此，在发生E2反应时，所涉及的H、C、C和L应处于同一平面上，H和L在C—C键的两侧。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期三例如：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，第41页，共48页，2023年，2月20日，星期三

下列反应都是环己烷衍生物反式消除反应的例子，其构象要求C—H和C—L都处于a键上。

第42页，共48页，2023年，2月20日，星期三具有反式氢处于反式的氢在e键上，与OTs不在一个平面上，反应按E1机理进行。消除速度更快