物理有機化學浙江大學2010年第7章消去反應

1、Chapter 7 -ELIMINATION REACTIONS In solution, where the reaction is promoted by solvent or by base, the most common eliminations are those that involve loss of HX, although loss of X2 from vicinal dihalides and similar reactions are also well known. The mechanisms of eliminations of HX are of three

2、main types:,The E1 Reaction:,Alkyl derivatives的溶劑解常常得到取代和消除的混合產(chǎn)物。在高介電常數(shù)的溶劑中，雖然反應速率隨離去基團的不同而不同，但取代與消除的比例與離去基團無關。例如，在80%的乙醇水溶液中，碘代叔丁烷的比氯代叔丁烷快100倍，但消除與取代的比例不變。因此，早期的研究者推測“first-order elimination (El) and first-order substitution (SN1) share a preliminary, rate-determining step”。 但進一步的研究發(fā)現(xiàn)，在電離能力比較小的溶劑中，

3、取代與消除的比例是與離去基團的性質有關的。例如，在冰醋酸中，氯代叔丁烷的溶劑解得到73%的烯烴，但當離去基團是CH3SCH3時，只生成12%的烯烴；這樣的事實說明在電離能力較差的溶劑中，離去基團與碳正離子形成了緊密離子對，離去基團成了奪氫的堿。,對于E1反應過渡態(tài)的這種解釋可以用來預測溶劑對產(chǎn)物立體化學的影響。在能使底物完全電離的溶劑中，完全溶劑化的平面碳正離子從兩邊失去一個質子的幾率是相等的。在非極性溶劑中，中間體是緊密離子對，質子的消除受到離去基團的影響，主要從離去基團所在的一邊失去，因為離去基團往往是比溶劑更強的堿。因此，syn-elimination would be the resu

4、lt.這些預測已被實驗所證實。,例如，Skell and Hall研究了赤式-3-D代-2-丁醇對甲苯磺酸酯。Syn消除將得到非氘代的cis-2-丁烯，和氘代的trans-2-丁烯。但反式消除將產(chǎn)生氘代的cis-和非氘代的trans-2-丁烯。實驗中，在電離能力較差的硝基甲烷中，產(chǎn)物幾乎完全是syn消除的；但在乙醇和水的混合溶劑中，順式和反式消除都有。,如果有兩種氫可被消除，就有區(qū)域選擇性的問題。Saytzeff規(guī)則說雙鍵是生成在取代基較多的碳原子上。對E1消除，很容易看出為什么會生成取代基多的烯烴。因為在決定產(chǎn)物步（the product-determining step）的過渡態(tài)，已有了部

5、分雙鍵的特征，因此，最低能量的過渡態(tài)是將生成最穩(wěn)定雙鍵的。烷基可以通過超共扼而使雙鍵穩(wěn)定。 但如果碳正離子是處于緊密離子對中時，就可能不遵守Saytzeff規(guī)則。例如，在醋酸中從下列化合物消除HX得到的產(chǎn)物是,當離去基團的堿性越強， Hofmann烯烴越多,Then the orientation of the double bond in the product depends more on the relative acidity of the two kinds of protons than on the relative stabilities of the possible do

6、uble bonds. In the -methyl protons are more acidic than the -methylene ones and thus the more basic the counter-ion, the more terminal olefin results.,產(chǎn)物組成的變化可以用Hammonds postulate假設來解釋。由底物電離的離子對中的離去基團堿性越大，離去基奪氫就越早，其決定產(chǎn)物步的過渡態(tài)就越像碳正離子，其雙鍵的特征就越少。,Carbanion Mechanisms, the ElcB,如果與E1相反，不是有一個好的離去基，而是有一個酸性

7、較大的-氫，就會先消除一個氫，再丟掉離去基。這就是碳負離子的機理。根據(jù)反應速率的不同，以及所生成離子的溶劑化程度的不同， E1cB機理有幾種不同的類型。,E1cB類反應的機理可以有四種類型。,(E1)anion:,K1k1、k2, 特點：-氫的酸性很強，質子可以認為是自動離去，如有足夠的堿存在，則在離去基離去前，H幾乎已全部離去。,(E1)anion機理的反應不是很多，因為要求-氫的酸性很大。例子有：,k2 kl BH+ Equation 7.39 can be simplified to Equation 7.40.,(ElcB)R是指碳負離子與起始物成快速平衡，而離去基團在隨后的慢速步中離

8、去。這種情況出現(xiàn)在氫的酸性很大而離去基的離去能力較差時。如果假定碳負離子中間體總是以不變的較小的濃度存在，就可以利用靜態(tài)近似的假定來求得它的濃度，并寫出該消除反應的速率方程。根據(jù)定義，,從方程式中可見，(E1cB)R的反應速率是與堿的濃度無關的，假如堿與其共軛酸的比例B/BH+保持恒定。這反映出這類反應是受specific base催化的。,如果-氫的酸性比(E1)anion所要求的小，而k1與k1相當，但k2仍然是小的(k1k1 k2),則從原料生成的負離子為快速平衡，而離去基的離去仍然是慢的一步，則稱為 (E1cB)R,An example of such a reaction is el

9、imination of methanol from 34. Not only is specific base catalysis observed, but also, in agreement with rapid and reversible formation of carbanion, in deuterated solvent the rate of incorporation of deuterium into the substrate is 226 times faster than the rate of elimination.,(ElcB)ip機理是與(ElcB)R相

10、近的。差別僅僅在于在(ElcB)ip機理中the free anion is not formed but remains intimately associated with the newly protonated base,如果質子化的堿是正離子，就形成離子對，如果質子化的堿是中性的就形成氫鍵對。,一個確實以這種機理進行，確實生成了離子對的反應是，1,2-二溴乙烯與三乙胺作用生成溴乙炔。如果氘代1,2-二溴乙烯的消除速率與非氘代的相當，kH/kD1，去質子這步就不包括在決速步中。因為加入Et3N+DX不影響反應速率，而且與溶劑不發(fā)生氘交換，因此沒有(ElcB)R機理存在。顯然，緊密離子對

11、要不返回原料，要不就是丟掉一個溴負離子生成產(chǎn)物，丟溴負離子是慢的一步。但不生成自由的碳負離子。,最后是(E1cB)irr機理。在這種反應中，離去基團的離去能力很強，以致去氫成了決速步，對于這種情況(k2 k1BH), 速率方程就成為,34與35的差別很小，僅僅在于苯甲酸根的離去能力比CH3O大。這例子說明碳負離子機理對底物結構和反應條件是極為敏感的。,因此，這類反應的速率是與堿的濃度有關的，即，這類反應應是受general-base催化的。從下列化合物消除一分子苯甲酸是受普遍堿催化的，其速率與苯環(huán)上的取代基的性質無關。普遍堿催化這一點排除了(ElcB)R機理，而離去基性質對反應速率沒影響排除了

12、所有在過渡態(tài)還有碳離去基鍵的機理.,碳負離子機理可以是syn-消除，也可以是anti消除。例如，Hunter和Shearing研究了用BuO來從36和37中消除一個甲醇。因為與溶劑的氘交換速率與消除速率相當而競爭，因此該反應是(ElcB)R機理。,消除的Syn/anti的比例在約為Syn/anti75左右變動，所以碳負離子機理以順式消除為主。這個比例與所用正離子有關，以Li+ K+ Cs+ (CH3)4N+的次序下降。因為認為順式消除的過渡態(tài)應是如下的環(huán)的絡合物，所以正離子與氧的絡合能力越強，順式消除的比例也越大。 (CH3)4N+與氧絡合能力最小，所以優(yōu)勢生成反式的消除產(chǎn)物。,對碳負離子機理

13、來說，底物如果有兩個有氫的-碳，則酸性大的氫將會優(yōu)先被奪掉，因此，得到的優(yōu)勢產(chǎn)物是取代較少的烯烴，即Hofmann消除是主要的。,E2消去 (1) 二級，rate = ksubstrateB:; (2) 如果-H被-D取代，則速度下降，kH/kD較大； (3) 反應速度取決于離去基團的性質，,為避免發(fā)生E1, X必須不怎么容易離去； 為避免E1cB, -H不應過于酸性。 由于某些E1cB的機理也是二級，區(qū)別E1cB和E2較困難，但區(qū)別的方法還是有的，1983JACS265上有介紹。,嚴格說來，E2反應是不容易的，因為Two-bond reactions have a higher activa

14、tion barrier than one bond reactions. In fact the activation barrier for an exactly synchronous E2 reaction should be approximately equal to the sum of the barriers for C-H and for C-X bond breaking. Jencks has suggested that in general an elimination reaction may be concerted only when it is forced

15、 to be.,(a) Reaction with an intermediate. (b) Reaction with a very short-lived intermediate. (c) A concerted reaction.,Figure. How a stepwise elimination is forced into a concerted and then into an essentially synchronous reaction as the intermediate becomes too unstable to exist.,Spectrum of E2 tr

16、ansition states E2反應不生成中間體，而是有一個過渡態(tài)T.S.,但HC和CX在過渡態(tài)中不一定相等。它們是與底物結構和反應條件有關的。例如，,真正的E2是一種極限。,在質子溶劑中，E1-like反應是不常見的，相反，具有good leaving group的化合物給出純E1機理。但在非質子溶劑中，似E1的E2反應確實有。,在非質子溶劑中，弱質子堿如PhS-和Cl-可能比強堿RO更有效。,弱堿催化的消除(Elimination by weak Base),Ex.: t-BuBr曾被認為只進行E1消去。后來發(fā)現(xiàn)，在丙酮中，用NaCl作為堿，t-BuBr可以雙分子機理發(fā)生消去。事實上，

17、Cl-是比對硝基苯酚負離子更有效的催化劑。雖然對硝基苯酚負離子作為奪氫的堿要比Cl-強1010倍(1972JACS2228,2240).,PhS比EtO的堿性弱1010.但在EtOH中PhS使t-BuCl的消去卻快10倍。對于這種反應的機理有極大的爭議。鑒于這類反應的速度與SN2有一定的相關性，Winstein和Parker提出，在非質子極性溶劑中，T.S.譜從似E1cB延伸到一個由堿推出離去基而不是去進攻質子的T.S.,以EtO為堿:,說明X不同時T.S.中CH(D)鍵的斷裂程度是不同的。,相似的，在下列反應中，如果X不變，取代基Y的值與反應速率的對數(shù)成線性關系，但斜率() 與X有關，X不同

18、斜率不同(見下表)。因此，C-H鍵在T.S.態(tài)時的斷裂程度是與離去基X有關的。別的影響過渡態(tài)性質的因素有：堿的強度，溶劑，和底物的結構。,因此Bunnett在Angew. Chem. 1962, 225上提出了E2反應機理譜的概念，從“似E1cB”（C機理）(C-H鍵斷裂大大早于C-X)到“似E1”（C+機理）(C-X鍵早于C-H先斷裂)。介于兩者之間的是協(xié)同的E2。,為了支持這個假設，Weistein注意到，當用硬堿作催化劑時，化合物的消去速度取決于硬堿對質子的堿性，如在Bronsted關系式中所示，,但如用軟堿作cat.時，從T.S.(E2C, 似E1)不應得出如上的關系式，卻應在(E2C

19、)的速度與SN2的速度之間有線性關系：,下列圖表就是這種線性關系：,從這種情況出發(fā)，Parker and Winstein認為弱堿催化下的消除反應的過渡態(tài)應是弱堿將離去基團“推”出去的一種結構：,(E2C,似E1)過渡態(tài)理論曾受到強烈批評，因為上圖的關系式對軟堿催化的E2反應并不普遍；SN2反應對空間阻礙很敏感，但所謂的E2C機理受空間影響并不大。,現(xiàn)在大多數(shù)研究者認為對E1-like的反應，42式最恰當?shù)乇硎玖似溥^渡態(tài)，或者是略為彎曲的44式。在以44式為代表的過渡態(tài)中，堿對離去基略為施加了一些靜電排斥作用。,2E2反應的反應坐標圖 改變底物結構或反應條件對E2反應T.S.的影響，可以用三維

20、反應坐標圖來預測。,圖(a)表示了將離去基換成離去能力較差的，這將導致E1離子對中間體能量升高，過渡態(tài)就將移到*p，在過渡態(tài)時C-X的斷裂程度不變，但C-H的斷裂程度增大，過渡態(tài)更具碳負離子特性。,這個預測被表中的值所證實，較不活潑的離去基N(CH3)3使C上具有更負的電荷(= +3.77),而較活潑的離去基-I則使C具有較少的負電荷(= +2.07),同位素效應也符合，當離去基為Br時，過渡態(tài)時H約為一半轉移；當N(CH3)3為離去基時，則是個不對稱的T.S., H的轉移已過半。,為正值的反應是被苯環(huán)上吸電子取代基(m-或p-)所促進的反應，為負值的反應是被苯環(huán)上推電子基(m-或p-)所促進

21、的反應,圖(b)表示較強堿的影響：在中心E2機理的基礎上，增加堿的強度將降低E1cB中間體的能量，降低產(chǎn)物的能量，圖的右邊的能量將降低，T.S.將沿R2和1移動,因此將移到*p(垂直向上移動), 其中C-X斷裂較少而C-H斷裂程度不變，這意味著C的碳負特性增加和雙鍵特征減少。,圖（C）表示在中心E2機理的基礎上，在C上增加吸電子基團，使右后角能量降低，但僅影響到右后角一個“角”，并不影響到一條邊，所以過渡態(tài)從*p移到*p，過渡態(tài)變得更像碳負。,Gandler 和Jencks研究了這個化合物的堿催化消除(在水中)，發(fā)現(xiàn)當Y的吸電子能力增大時，過渡態(tài)確實更具碳負特征，直到Y=4-NO2, 其機理已

22、經(jīng)變成(E1cB)irr.,圖(d)表示推電子基在C上的影響，使左前角能量降低，T.S.從*p移到*p，即C-X間距增大，而C-H間距減小，即離子對的特征增大，反應趨向E1-like. 改變化合物46上的Y基證明，不論是推電基還是吸電基，都能增大46的反應速度，并使其機理變?yōu)镋1-like or E1cB-like.,反應條件改變導致中心E2反應過渡態(tài)結構改變的預測,這個表是總結了前面的幾種情況。,定位取決于特定反應的T.S.位于機理譜的什么位置？ (a) 對中心E2，雙鍵明顯已高度發(fā)展，因此雙鍵的相對穩(wěn)定性是決定產(chǎn)物的控制因素。 (b) 對E2H反應，在其過渡態(tài)已有如此顯著的碳負離子特征，以

23、致最穩(wěn)定的T.S.將是在C上具有最穩(wěn)定的負電荷，因此，兩個C上的氫的相對酸性對于決定產(chǎn)物有超過一切的重要性。所以主要生成Hofmann烯烴。 (c) 離去基團的影響 對于下列的反應，離去基為不同的鹵原子時，生成烯烴的比例不同：,3. E2反應中雙鍵的定位,F的電負性大，使-氫變酸性，本身又不易離去，所以機理比較接近E1cB, 酸性較大的伯碳上氫的失去為主，主要得Hofmann烯。隨著鹵原子電負性的減小，離去能力增強，機理更接近于E1端，產(chǎn)物主要是Saytzeff烯烴。,(d) 堿性強弱的影響： 現(xiàn)在認為是堿性強弱的影響，下列反應中試劑的堿性越強，Hofmann烯烴就越多。,堿的體積大也有利于生

24、成取代基少的烯烴。,(e) 離去基體積： 離去基體積大，則取代基少的烯烴增多。,當離去基帶電荷時影響更大，可能帶電荷的離去基溶劑化作用大，整個基團體積更大了,由于所有E2消除的過渡態(tài)都有部分雙鍵的特征，因此，為使反應順利進行，需H和X在過渡態(tài)中為Syn- or anti periplanar.,4. Stereochemistry,究竟syn為主，還是anti為主？當其他條件相同時，anti消去比syn消去的能量低。,E2C: B不僅奪氫，對離去基也有逼其離去的作用，因此以反式消去為主。,E2H: 下圖即為E1cB-like的syn-和anti-消去的過渡態(tài)的分子軌道：可以看出(a)syn-消

25、去是重迭式，(b) anti-消去是staggered,因此anti-elimi是能量上有利的。,(a),(b),另一方面，從前線軌道看，也是anti-有利一點：在反式的T.S.中如左圖所示, 右圖為syn-消去的,SN2反應可以看做是Nucleophile的HOMO與底物C-X鍵的LUMO的相互作用，一個1,2-消除反應可以看成是分子內的SN2反應，其中離去基被-C上發(fā)展的電子對所取代，即-C上的電子對就是親核試劑。因此-消除在充滿的C-H的-軌道（Nu）的HOMO能最好地與空的C-X 的*軌道（被取代的-鍵的LUMO）即LUMO相作用時，其反應能順利進行，這個HOMO對LUMO的定位，在反

26、式的T.S.中如上左圖所示, C-X反鍵*軌道的較大瓣，不在C和X之間，而是在C和X的背面。因此，anti消去的T.S.容許較好的HOMO-LUMO重迭（大瓣與大瓣），相反，syn消除中的HOMO-LUMO是大瓣對小瓣，重迭較差。,可是當T.S.有明顯的負離子特征時，則有syn消除，而且當： (1) H-X的夾角為0是可以達到的，但180夾角達不到，即H- X能為syn periplanar,但達不到anti periplanar; (2) syn-H比anti-H更活潑時； (3) syn消除由于空間原因而被促進； (4) 一個負離子堿與其正離子絡合； Back提出，syn消去的總的需要是T

27、.S.有明顯的碳負離子特征。這是因為syn消去是在syn構象中，起始質子除去而留下來的C-H的HOMO和C-X的LUMO不能有效地重迭，因此C隨離去基(H)的離去而同時轉化（軌道變形），并與C相互作用，但轉化（下式中的第二步）只能在氫從C上被拉走以后，所以syn消去需要明顯的碳負特征。,類型(1)的實例：,當加入冠醚18-冠-6，由于它是Na+離子的最好絡合劑，使syn消去量降低到70%，這說明在冠醚不存在的syn消去中，Na+離子顯然絡合到離去基和堿上(類型4的例子)，,類型(2)的例子有：,其中H1是活化的，而H2不是，所以H1的消去大大占優(yōu)勢；但當加入冠醚后，syn-消去的量減少。上述化

28、合物用t-BuOK-t-BuOH處理時在65C下得到的消去產(chǎn)物的比例為：,因為(a)構象雖然所有相關原子和原子團處于交叉式，(b)構象中為重迭式，但僅是H or D與其它原子團重迭，當R1和R2的空間要求增大時，(b)構象的穩(wěn)定性會越來越大于(a)構象。,Saunders研究了在強堿催化下的下列季銨鹽的消除反應，anti elimination得到61，它必須從(a)構象出發(fā)；syn消除得62，它從(b)構象出發(fā)。如下表所示，增大R1和R2的體積，即增加它們對空間的要求，syn-elimination的量就增加了，這是合理的，,類型(3)的例子有：,Table Stereochemistry of Elimination from,弱堿催化下的反應則完全是anti elimination, 因為弱堿不可能導致E2H碳負離子生成機理，即使得到的產(chǎn)物是不很穩(wěn)定的。例如用N(Bu)4Cl作堿，63生成99.9%的64；另一非對映異構體65生成99.9%的66.,由于烯氫的酸性大于烷氫，乙烯基鹵化物RCH=CRX比烷基鹵化物更易進行E1cB elimination.但是如果沒有吸電子基使烯質子的酸性增強的話，或者所用堿的堿性不是太強，則還是E2機理，因而anti elimination is much prefered pathway.,因為在SN2和E2反應中都