Chapter 23 Elimination 浙江大学有机化学教学课件 大学二年级 浙江大学

离去基体积大小对消除方向也有影响，例如：
CH3CH2CH2CHCH3 B CH3CH2CH2CH CH2
X
当X的体积增大时，Hofmann产物的比例也增加：Br, 31％;I, 30％;
OTs, 48％; +SMe2, 87％; SO2Me, 89％; +NMe3, 98％。 在另一组实验中，用XC4H4O–作碱，使其体积大小不变，改变
22%
Cl t-BuO–/t-BuOH 91%
9%
F
t-BuO–/t-BuOH 97%
3%
OTs t-BuO–/t-BuOH 83%
17%
用同样的碱，离去基离去倾向小的F生成的Hofmann烯烃多，同 一个氟化物，用体积大的碱， Hofmann烯烃的比例就高，离去 倾向大的碘，用体积大的碱也主要生成Hofmann烯烃。
Chapter 23
Elimination Reaction
消除反应在基础有机化学中讲过1,2-消除。 1,2-消除确实是最常 见的消除反应。但1,1-消除和1,3-消除也是有的：
XC Y
C
XC CY XC CY XC CCY
பைடு நூலகம்
CC XC CY
§23.1 E1, E2 和E1cB
在溶液中进行的多数都是1,2-消除:
X使其碱性强弱不同，结果发现：碱性强有助于Hofmann产物的
生成。这是因为在E2反应的过渡状态中有碱参加，优先进攻哪一
个β-碳上的氢与氢的酸性和位阻有关。例如，下列化合物中：
CH3 B
CH3CHCHCH3
CH3 H B CH3CHCHCH2
CH3 CH3CHCH CH2
X
X
1-位碳原子上氢的酸性比3位碳上的氢强。碱进攻1位碳上的氢所
CH3
CH3CH2CH2NCH2CH3 OH -H2O CH3CH2CH2NMe2 + CH2 CH2 CH3
CH3 CH3CH2CCH3 + OEt E2 CH3CH C(CH3)2 + CH3CH2C CH2
S(CH3)2
14%
86% CH3
23.2.2 E1反应的区域选择性
在E1反应中离去基团先脱离α-碳，生成的碳正离子再脱去质
§ 23.3 E2反应的立体化学
23.3.1顺(syn)式消除和反(anti)式消除 在E2反应中，H-C键和C-Br键的断裂和π键的生成是同时进行的， 随着反应的进行，α-和β-碳原子逐渐由sp3转变为sp2，而与卤素 和β-氢相连的sp3则转变为p轨道，并在侧面重叠，生成π键。两 个p轨道的轴互相平行时才能有效地重叠。因此，只有H–C–C– X四个原子在同一平面上，才能在过渡状态中部分生成π键。能 满足这一几何要求的只有顺叠和反叠两种构象：
慢
HC CX
HC C
快
+X
CC
促进E1机理的因素有: (1)α-碳上有烷基或芳基，使生成的碳正离 子的稳定性提高。伯卤代烷的消除机理一般不是E1。(2)使用能 使碳正离子稳定性提高的极性质子溶剂，如H2O，ROH, HCO2H 等。(3)β-碳上有烷基取代(不利于SNl)。(4)X的离去倾向大。
23.1.2 E1cB( unimolecular elimination from the cojugate base)
α-和β-碳上的烷基数目多，使烯烃的稳定性提高，生成烯键后 (sp3转变为sp2)烷基之间的排斥力减小，也对消除反应有利。 23.1.6.2 碱性试剂
强碱有利于消除反应；亲核性强的试剂，有利于取代反应。 23.1.6.3离去基因
OTs有利于取代反应，带正电荷的基团如+NMe3，+SMe2等有 利于消去反应。 23.1.6.4溶剂和温度
的条件下进行，可以减少副产物的生成。
23.1.4同位素效应
E2反应的kH／kD=2～8；E1cB反应，当k2>>k–1，即第一步是决速 步时，kH／kD=2～8；E1和其他的E1cB反应，kH／kD≈ 1.0。
23.1.5 E1，E2和E1cB之间的关系 在E2反应中H-C键和C-X键的断裂是协同进行的，但在反应的 某一瞬间， H-C键和C-X键的断裂程度不一定相同，如H-C键断 裂早一些，过渡状态与 E1cB相似(E1cB like)；如C-X键断裂早 一些，过渡状态与E1相似(E1 like)。因此，E1cB，E2和E1只是 连续的反应机理谱中3种极限情况，如图23.1所示。
Ph
Ph
H
Cl
Me
Ph
H
Ph
H
赤式
-HCl
慢
Me H
Ph Ph
说明反应为反式消除，在发生反应的构象中，赤式由于两个体 积大的苯基相邻，过渡态的能量较高，反应速率也较苏式慢。
用氘标记的底物进行的研究，证明顺式消除也是存在的。例如， 将5位取代的癸烷衍生物中6位上的一个氢用氘取代，由于有两 个不同的不对称碳原子，共有4个对映异构体，组成两个外消旋 体，苏式和赤式。以苏式为例：
R
H
D
R
R
H
D
R
X
R
D
X
H
R
H
R
H
R
H
D
反式消除
DX
HX
H
H
R
R
H
R R
D
顺式消除
H H
R R
D
H
R
R顺
DX
H R
H R
由反式消除得到的反式烯烃中含有氘，而顺式烯烃中则不含氘， 由顺式消除得到的反式烯烃中不含氘，而顺式烯烃中则含有氘。 将顺式和反式烯烃分开，再分别测定其中氘的含量，就可以标 出E2反应中反式消除和顺式消除所占的份额。实验证明：当离 去基团的离去倾向大，如-Br或-OTs，一般为反式消除；当离去 基团的离去倾向小，如-F或-+NMe3，则以顺式消除为主。其他 因素如碱的强度和体积，溶剂的极性都有影响，但从现有的实 验材料还不能归纳出广泛适用的规律。
极性大的溶剂有利于生成离子中间体的 E1和E1cB；加入冠 醚能使消除机理由 E1向 E2移动。
23.1.6消除反应和取代反应的竞争 消除反应常与取代反应同时发生，影响其比例的因素如下。
23.1.6.1 化合物的结构 能与生成的烯键形成共轭体系的吸电子取代基(CF3, NO2,
SO2Ar, CN, C=O, CO2Et等)都有利于消除反应，特别是β位上的吸 电子取代基使βH的酸性增强，使消除反应容易进行。
极性大的溶剂有利于取代反应，温度高有利于消除反应（消 除反应的活化能较高)。
利用消除反应制备烯烃常用卤代烷和醇为原料。由卤代烷制备
烯烃，效果较好的试剂是t-BuOK／DMSO，喹啉和位阻大的叔
胺，如：
NEt
2
Hünig碱
N
N DBN
N
N DBU
由醇制备烯烃的一种可供选择的方法是先转变成对甲苯磺酸酯，
X E1
+
82%
18%
·
OH BF3·OEt2
-H+
+H+
95%
其间还可能伴有重排产物的生成：
+ 5%
BF3·OEt2 OH
90%
-H+
+H+ 10%
+ 0%
-H+ +H+ +H+
-H+
23.2.3 E2反应的区域选择性
在E2反应中离去基的离去倾向、 碱的强度、和体积大小都对区域 选择性有影响。见下表：
Br
Me3C
KOCMe3
H
HOCMe3 Me3C
KOCMe3 Me3C HOCMe3
H Br H
H
在顺叔丁基溴环己烷分子中，溴原子在α键的位置上，它与2,6
位上的a-氢原子及相应的碳原子已在同一平面上，因此，消除
反应容易进行。在反叔丁基溴环己烷分子中，溴原子在e键的
位置上，它与2,6位上的4个氢原子中的任何一个都不在同一平
CC
CC
X
E1cB E1cBEli2ke
H
E1 like E1
CC
HC C
X
23.1.5.1 化合物的结构 化合物结构是决定反应机理的最主要因素。E1反应的中间产物 为碳正离子，能提高碳正离子稳定性的结构因素和不利于E1cB 的结构因素都使消除机理移向E1一端，其中有α-烷基和α-芳基， β-烷基(使β-H酸性降低)。E1cB反应的中间体为碳负离子，能提 高β-位上碳负离子稳定性的因素使消除机理移向E1cB一端，其 中β位有芳基和吸电子取代基。 23.1.5.2 碱性试剂
H C C X -HX
CC
在基础有机中，我们讲到过E1和E2，但实际上还有E1cB:先消除 β-氢，然后再是离去基团离去。
23.1.1 E1，单分子消除( unimolecular elimination)
E1单分子消除是一个两步的过程，第一步是离去基团带着一对 电子离去，底物成为碳正离子，第二步是碳正离子从β位脱去一 个质子，给予碱或溶剂，生成烯键。第一步速率较慢，是决定 反应速率的步骤。碳正离子也是SN1反应的中间体，因此，E1与 SN1是竞争反应。E1机理中C–X键断裂在前，H–C(β)断裂在后：
OAc -OAc
NO2
Ph NO2
23.1.3 E2，双分子消除
双分子消除为一步过程。碱从β-碳上夺取质子，离去基团带着
一对电子离去是协同进行的，在过渡状态中5个原子或原子团在
同一平面上，随后在α-碳和β-碳上生成π键。
H CC
BH CC
-HX CC
X
X
在E2反应中不发生重排。有利于E2和SN2的因素差别较大，在 多数例子中，选择适当的条件可以使与E2竞争的SN2反应尽可能 减少。因此，在合成工作中尽可能使消除反应在有利于E2机理