有机化学中 消除反应与亲核取代反应的竞争研究

有机化学中
消除反应与亲核取代反应的竞争研究
[摘要] 在有机化学反应中,消除反应和亲核取代反应具有极大普遍性和重
要性。

取代反应和消除反应是两种比较重要的反应.它们相伴反应相互竞争，有机化学家很早就注意这方面的研究。

十九世纪,出现了著名的定则、Hofmann定则和定则。

这些定则,从经验上提出了预测这两类反应方向的办法。

但是,这些从经验中提出的规则,虽然得到了很大成功,却也还存在着一些不完善之处、不统一之处。

这一状况对于有机化学的教学和研究工作均有很多不便。

究竟以谁为主,既与机遇作用结构相关,也与反应条件有关.本文前夕浅析了两者之间的
关系和反应规律。

试图从有机化学中消除反应与亲核取代反应的竞争研究出发,对上述两类反应的竞争问题进行讨论,以求得更完善的解释和预测。

[关键字]有机化学反应消除反应亲核取代反应竞争问题
在有机化学的学习过程中，亲电和亲核是让很多同学困惑的概念，为了说明亲电和亲核的概念，让我们从共价键的断裂说起，来阐明亲核反应和亲电反应。

共价键的断裂方式：有机化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成过程。

组成有机化合物的化学键主要是共价键，共价键是由电子云重叠而成，每根共价键由电子对（2个电子）构成，共价键的断裂方式有两种：1均裂：A：B→A·＋B·即构成共价键的电子对在断裂时平均分配到两个原子上，形成带有单电子的活泼原子或基团——游离基（又叫自由基），这种断裂方式称为共价键的均裂。

2异裂：A：B→ A-＋B+（或A+＋ B-）即构成共价键的电子对在断裂时完全转移到1个原子上，形成正离子和负离子，这种断裂方式称为共价键的异裂。

又根据共价键的断裂方式分类，可分为协同反应、自由基反应、离子型反应。

烃的衍生物中最简单的是卤代烃和醇,这两类化合物的官能团(卤原子和烃基)容易
被其他原子或基团取代,发生取代反应伴有消除反应,这两类反应不仅在有机合
成上有广泛的意义,而且在理论上也具有重要的价值.本文从这两类反应的特点和历程出发，对两者之间的内容关系和反应规律做一一浅析。

一、消除反应综述
1、有关消除反应的历史：克里斯托夫·英果尔德与罗伯特·鲁宾逊展开了一连串有机化学的研究，提出了许多现代有机化学里的观念，像是亲核性、亲电性、SN1反应、SN2反应、E1反应、E2反应等等都是在他们研究后先后提出来的崭新概念，这些概念的提出对揭示有机反应内在机理从而实现控制有机反应起到了巨大的促进作用，而E1反应，就是他们提出越来解释消除反应的其中一项反应机构。

双分子消除反应为1920年代，克里斯托夫·英果尔德（Christopher Kelk Ingold）与罗伯特·鲁宾逊（(Robert Robinson）展开了一连串有机化学的研究，提出了许多现代有机化学里的观念，像是亲核性、亲电性、SN1反应、SN2反应、E1反应、E2反应等等都是在他们研究后先后提出来的崭新概念，这些概念的提出对揭示有机反应内在机理从而实现控制有机反应起到了巨大的促进作用，而E2反应，就是他们提出越来解释消除反应的其中一项反应机构。

2、什么是消除反应？又可分哪几类？消除反应（elimination reaction），使反应物分子失去两个基团（见基）或原子，从而提高其不饱和度的反应。

分类：按失去的两个基团在分子中的相对位置进行分类：①1，2-消除。

或称β-消除。

为处于相邻原子上的两个基团失去后在这两个原子之间生成π键（见共价键）的反应。

两个原子都是碳原子时就发生成烯消除反应：②1，1-消除。

或称a-
消除。

为同一原子上的两个基团失去后该原子形成不带电荷的低价结构（如卡宾或氮烯）的反应（式中R为烃基）：③1，3-消除等。

为分别连在1，3-或更远的相对位置上的两个基团消除后得到环状产物的反应。

这些反应也可看为分子内取代反应。

反应速率在离子型1，2-消除反应中，带着成键电子对一起从反应物分子的1位或a碳原子上断裂下来的基团称为离去基团（L），另一个失去基团往往是连在2位或β碳原子上的氢，称为β氢原子。

例如，1-溴丁烷与氢氧化钾在乙醇中共热，溴带着键合电子对断裂下来成为溴负离子，β氢原子以质子形式断裂下来与碱中和，同时在1和2位之间形成烯键：这类消除反应
的速率与卤代烷结构有关，在相同的条件下以三级卤代烷最快，二级卤代烷次之，一级卤代烷最慢。

以碱为试剂的消除反应常伴有亲核取代反应，也可能发生重排反应，这三种反应之间的竞争与卤代烷结构、试剂性能和反应条件等因素有关。

强碱和高温增加发生消除反应的机会。

3、消除反应机理：在离子型消除反应中，按有关价键发生变化的先后顺序不同，可分三种反应机理：①单分子消除反应（E1）。

反应物先电离，L断裂下来，同时生成一个正碳离子，然后失去β氢原子并生成π键。

反应分两步进行，决定速率的电离这一步只有反应物分子参加。

故E1的速率与反应物的浓度成正比，与碱的浓度无关。

②共轭碱单分子消除反应（E1CB）。

反应物先与碱作用，失去β氢原子，生成反应物的共轭碱负碳离子，然后从这个负碳离子失去L并生成π键。

在生成π键的步骤中只有共轭碱负碳离子参加。

E1CB也分两步进行，反应速率与反应物浓度成正比，也与碱的浓度有关。

一般，只有β碳原子上连有硝基、羰基或氰基等的反应物，才能按E1CB机理进行反应。

③双分子消除反应(E2)。

反应一步完成，L的断裂、β氢原子与碱中和、π键的生成三者协同进行，反应物和碱同时参加反应。

E2的速率与反应物浓度和碱浓度都成正比。

上述三种机理以E2最普遍。

热消除反应一般在气相进行，是不需要酸或碱催化的单分子反应。

反应物通过环状过渡态直接把β氢转移到L上，同时生成π键。

羧酸酯加热至约400℃，便发生热消除。

黄原酸酯可在约200℃发生热消除；三级胺氧化物加热至150℃左右也发生热消除。

一单分子消除反应（E1反应，E代表Elimination，而1代表反应速率只受其中一个化合物浓度的影响），“消除反应”）是消除反应的一种机理。

由于反应的速率控制步骤只与一个底物分子有关，是单分子过程，在反应动力学上是一级反应，故称为“单分子消除反应”。

4、消除反应机构：
上面反应式是底物分子的离去基团离去，生成中间体碳正离子，这一步较慢；第二步是溶剂分子夺取碳正离子β-氢，生成烯烃。

由于反应的速率控制步骤只与一个底物分子有关，是单分子过程，在反应动力学上是一级反应。

当卤烷类以亲核性碱处理时，E1与SN1反应是一起竞争的。

因为最好的E1反应物也是最好的SN1反应物，因此脱去及取代的产物两者常会混在产物中，例如2-氯-2-
甲基丙烷在65°C，80%的乙醇中会产生64:36比例的2-甲基-2-丙醇(SN1)和2-甲基丙烯(E1)的混合物。

5、消除反应特性：由于中间体碳正离子会发生重排，故E1反应会得到重排产物。

E1反应的区域选择性与E2反应相同，反应物有两种不同的β-氢时，反应遵循查依采夫规则，主要生成稳定的烯烃。

产物烯烃有顺反异构时，以E型烯烃为主。

单分子消除反应与双分子消除反应和单分子亲核取代反应为竞争反应。

当卤代烃在碱作用下消除时，由于C-X键远不如C-H键容易断裂，因而消除反应一般都采取E2机理。

只有三级卤代烃在极性溶剂中溶剂解或醇失水时，反应才为E1机理。

与SN1机理相对比，E1反应和SN1反应第一步都为卤代烃的异裂，故离去基团的离去难易程度并不影响这两种机理的竞争，只有第二步中亲核试剂与碳正离子的结合方式决定了这两种机理的比例。

试剂亲核性越强，空间位阻越小，对SN1机理越有利。

因此在极性溶剂和无强碱存在时，取代产物是主要产物。

而双分子消除反应反应速率受到二个化合物浓度的影响），为消除反应的一项反应机构，由于反应为一步形成，与二种反应物浓度皆有关，在反应动力学上是属于二级反应，故又称为“双分子消除反应”。

其特性：E2反应不需侵入重围，攻击之中的碳原子，只需从旁拉走一个质子，因此立体阻碍在此并不如SN2反应般发生影响，因此在一、二、三级受质皆可发生反应，而因为E2反应不会产生碳阳离子，故不会发生重排现象。

E2反应为一步反应，因此碱的强弱对其反应速率有很显著的影响，越强的碱能使反应进行越快，而对于离去基来说，E2反应需要好的离去基方能进行反应，但离去基的影响相较于E1反应并没有如此敏感，但是离去基越强，皆能增加E1及E2的反应速率。

双分子消除反应与单分子消除反应和单分子亲核取代反应互为竞争反应。

但由于E1反应较难发生，所有条件都必须恰到好处，(三级受质、弱碱、极好的离去基)，如果
三个条件有一样稍微不同，反应都较倾向于遵循E2反应机构。

因此，因E2反应较为常见，特别是在三级受质的情况下，能使反应迅速发生。

在E1反应中，区域选择性使其反应遵循查依采夫规则，得到的产物会出现顺、反二种顺反异构物。

但E2反应则不然，E2反应具有立体特异性，反应中的氢必须与离去基在平面的异边（antiperiplanar），因此只会得到其中一种立体异构物。

二、亲核取代反应综述
1、什么是亲核取代反应：对进攻试剂而言，如果是提供电子倾向强烈的如卤素阴离子、氢氧根、氰根、氨等，与碳正离子等带正电部分反应时，由亲核基团进攻缺电子部分。

取代则称为亲核取代，比如卤代烃的取代，醇的取代，羧酸的取代，羧酸衍生物的取代，重氮盐的取代等；加成则称为亲核加成，如羰基加成，Michael加成，炔烃加成等。

2、亲核取代反应分类。

根据共价键断裂方式分类：①协同反应：在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成都相互协调地在同一步骤中完成的反应称为协同反应。

协同反应往往有一个环状过渡态。

它是一种基元反应。

②自由基型反应：由于分子经过均裂产生自由基而引发的反应称为自由基型反应。

自由基型反应分链引发、链转移和链终止三个阶段：链引发阶段是产生自由基的阶段。

由于键的均裂需要能量，所以链引发阶段需要加热或光照。

链转移阶段是由一个自由基转变成另一个自由基的阶段，犹如接力赛一样，自由基不断地传递下去，像一环接一环的链，所以称之为链反应。

链终止阶段是消失自由基的阶段，自由基两两结合成键，所有的自由基都消失了，自由基反应也就终止了。

③离子型反应：由分子经过异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。

离子型反应有亲核反应和亲电反应，由亲核试剂进攻而发生的反应称为亲核反应，亲核试剂是对正原子核有显著亲和力而起反应的试剂。

由亲电试剂进攻而发生的反应称为亲电反应。

亲电试剂是对电子有显著亲合力而起反应的试剂。

反应物和试剂及试剂的分类：1．反应物和试剂，反应物(或作用物)和试剂之间并没有十分严格的界限，是个相对的概念、习惯用语。

本来相互作用的两种物质，即可互为反应物，也可互为试剂。

但为了讨论和研究问题时方便，从经验中人为的规定反应中的一种有机物为反应物，无机物或另一种有机物为试剂。

例如乙烯与溴的加成反应，乙烯为反应物，溴为试剂。

苯肼与醛、酮的反应，醛、酮为反应物，苯肼为试剂。

2．试
剂的分类，有机反应中的试剂(无机试剂和有机试剂)按有机反应历程可分为极性(或离子型)试剂和非极性(自由基)试剂两大基本类型。

非极性试剂是指自由基或容易产生自由基的化合物，极性试剂是指含偶数电子的正、负离子或极性分子。

极性(或离子型)试剂——含偶数电子的正、负离子或极性分子试剂（按有机反应历程）。

非极性(自由基)试剂——自由基或容易产生自由基的化合物。

从试剂的电子结构来看，极性试剂是指那些能够接受和供给一对电子以形成共价键的试剂。

因此，极性试剂又分为两类，在离子型反应中供给一对电子与反应物生成共价键的试剂叫做亲核试剂，亲核试剂——供给一对电子与反应物生成共价键的试剂极性(或离子型)试剂。

从广义的酸、碱概念的角度上来说，路易斯碱都是亲核的，故为亲核试剂。

对试剂有了规定以后，所有的离子型反应就可以根据试剂的性质加以分类。

亲核反应——由亲核试剂进攻反应物而引起的反应，叫做亲核反应。

亲核反应又可进一步分为亲核取代反应和亲核加成反应。

亲电反应分为亲电取代反应和亲电加成反应。

2、亲核取代反应历程：①双分子亲核取代反应（S N2）：反应速度即与反应物的浓度有关，又与试剂的浓度有关，反应中新键的建立和旧键的断裂是同步进行的，共价键的变化发生在两分子中，因此称为双分子亲核取代反应，以S N2
表示。

②单分子亲核取代反应（S N1）：以叔丁基溴在碱性溶液中水解为叔丁醇为例，说明反应历程，反应如下：第一步，C－Br键解离：第二步，生成C－O键：在该反应历程中，第一步反应速度慢，所以该步是整个反应的决速步骤，而这一步的反应速度是与反应物卤烷的浓度成正比，所以整个反应速度仅与卤烷有关，与试剂浓度无关。

在决速步骤中，发生共价键变化的只有一种分子，所以称为单分子反应历程。

这种单分子亲核取代反应常用S N1表示。

③亲核取代反应：S N1和S N2可简单表示为是由亲核试剂进攻反应物的反应，故称亲核取代反应。

3、亲核取代反应机理：亲核取代反应是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。

在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。

亲核取代反应，或称亲核性取代反应，通常发生在带有正电或部份正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部份负电的亲核试剂（Nu:?）进攻而取代。

常分为两种反应机构：1、单分子亲核取代反应（SN1）2、双分子亲核取代反应（SN2）对于一个特
定的反应其动力学反应级数要通过实验测定才能得知那么能不能不通过反
应级数来判断一个亲核取代反应的机理是SN1还是SN2？要如何判断？（不知产物是否外消旋和构型翻转不知是否重排的情况）。

三级溴丁烷水解是SN1 而溴甲烷水解是SN2，是考虑到空间位阻的关系。

双分子取代的话，要有足够的空间，如果取代基比较大，无法形成双分子取代。

4、亲核取代反应机构。

常分为两种反应机构：①单分子亲核取代反应（SN1），第一步是原化合物的解离生成碳正离子和离去基团，然后亲核试剂与碳正离子结合。

由于速控步为第一步，只涉及一种分子，故称SN1反应。

常发生于：碳上取代基较多（如：-CH3），使得相应碳正离子的能量更低，更加稳定。

同时位阻效应也限制SN2机理中亲核试剂的进攻。

对碳阳离子生成有利条件：有许多推电子基帮助稳定碳阳离子（3级碳>2级碳>1级碳），一级碳几乎不能够单独存在，而会立刻和周遭发生化学反应而形成内能更低的分子。

②双分子亲核取代反应（SN2），较强亲核剂直接由背面进攻碳原子，并形成不稳定的一碳五键的反应中间体，随后离去基团离去，完成取代反应。

常发生于：碳原子取代较少（如：-CH3），可较容易使SN2反应发生。

对碳正离子生成有不利条件的环境下：有许多拉电子基或较少推电子基（1级碳>2级碳>3级碳）。

5、亲核取代反应特性。

①SN1亲核取代反应特性：反应速率决定步骤在于离解一步（第一步），所以根据动力学理论推断该反应为一级速率反应，r=K[反应物]。

从立体化学观点来看，该反应的反应物若为光学异构物之一，则产物反转机率略大于50%。

在碳阳离子形成时，整个分子略呈现平面三角形，亲核体可以由平面三角形上下两侧进行攻击，形成新分子。

故理论上反转机率为50%，但因原先脱离的阴离子影响碳阳离子，故亲核剂倾向由反侧攻击形成反转的产物。

该反应适合在高极性稍有质子性溶剂中进行，高极性有助于利用本身极性带有的部分负电稳定碳阳离子，稍有质子性溶剂提供质子与较强亲核剂（通常是被脱离的）化合有助于反应平衡往产物移动。

②SN2亲核取代反应特性：反应速率决定在两个因素上，强亲核剂的浓度高低与反应物的浓度高低，所以根据理论推断该反应为典型的二级速率反应，r=K[反应物][Nu：-]。

从立体化学观点来看，该反应反应物若为光学异构物之一，则产物构型翻转机率为100%（完
全反转），因为只能从反侧攻击，故产物必定反转。

反应适合在高极性非质子性溶剂中进行，高极性有助于稳定反应中间体，非质子性溶剂则不会与强亲核剂化合而导致反应平衡往反应物移动。

三、消除反应与亲核取代反应的竞争研究
我们就以卤代苯的芳香亲核取代反应及其反应机理的综述，对消除反应与亲核取代反应的竞争作一探讨。

卤代苯的芳香亲核取代反应是一种重要的有机合成方法,具有广泛的应用价值。

本文对芳香亲核取代反应的应用和常见的反应机理进行了综述,设计了四种亲核试剂(α-氰基乙酸乙酯,乙酰乙酸乙酯,2-甲基乙酰
乙酸乙酯和N-甲基哌嗪)分别和一系列的活化芳基卤代物的亲核取代反应。

首先,通过一些常用的方法合成出一系列的含有活化基团的卤代苯,在此基础上选
取4-氯-3-硝基苯腈作为模板反应的底物,分别以乙酰乙酸乙酯和N-甲基哌嗪作
为亲核试剂,对反应的溶剂、温度及碱的种类及用量进行优化,得到理想的反应条件。

在此基础上,分别用上述四种亲核试剂与活化的卤代苯反应,考察了活化基团以及离去基团(氟、氯、溴)对亲核取代反应的影响,同时对四种亲核试剂的亲核能力进行了比较。

得到2-甲基乙酰乙酸乙酯在碱作用下烯醇氧负离子亲核取代的产物,发现了一种比较新颖的制备芳氧基取代的α,β-不饱和酯的方法。

根据实验现象及结论,对上述四类反应的历程进行了初步的探讨,发现它们都具备双分
子加成消除历程的特征。

重点考察了α-氰基乙酸乙酯的亲核取代历程,发现其既符合双分子加成消除机理,也具有单电子自由基的特征,从而提出了一种新的亲
核取代机理-自由基加成消除历程(S_(RM)Ar历程)。

同时,我们还得到了一系列的新颖的亲核取代产物,部分化合物的结构通过核磁共振氢谱得到确认。

下面我们以三氯化铁催化的炔丙基醇和其酯类化合物的亲核取代反应及其在合成呋喃中的应用为例，对消除反应与亲核取代反应的竞争作进一步的研究。

由于其独特的结构和反应活性,炔丙基类化合物成为广受关注的反应中间体。

炔丙基类化合物的碳碳三键可以灵活方便地转化为其它官能团;还可与金属络合活化炔丙位,以利于亲核试剂的进攻。

这使得炔丙基类化合物的取代反应在有机合成中占有重要位置。

在催化剂的作用下,芳香化合物可与炔丙醇发生亲核取代生成炔丙基化的芳香产物。

Nicholas反应是合成炔丙基化的芳香产物的经典方法,
但是这个方法却存在一些缺陷。

例如需要化学当量的[Co2(CO)8],而且从炔丙醇经炔丙基的复杂配合物阳离子[Co2(CO)6(property)]+得到炔丙基产物需要几步反应。

近来一些过渡金属和酸催化的芳香化合物与炔丙醇的亲核取代反应也见诸报道。

Nishibayashi等人发展了一种钌络合物催化的该类反应,然而该方法中反应底物通常只限于那些带有末端炔基官能团的炔丙醇类。

最近, Taste小组和Champagne小组分别报道了铼催化[(dppm) ReOCl3]和金催化[NaAuCl4·2H2O]的炔丙醇与芳环的亲核取代反应。

然而这些催化剂比较特殊而且价格昂贵,不适合大规模使用。

因此,发展一种通用有效,成本低廉,方便使用的催化剂来催化炔丙基位的取代反应就显得尤为重要。

在这里,我们报道一种三氯化铁催化的炔丙基醇类化合物与芳香化合物反应生成傅-克烷基化产物的新方法。

三氯化铁用于催化该类反应,能在温和的条件下实现转化,产率良好;炔端有取代基或者带有末端炔基的炔丙醇都是很好的反应底物,但前者比后者反应效果更好;带有强给电子基团的芳香化合物或者杂环芳香化合物都是很好的亲核试剂(图1)。

与钴钌铼金化合物催化剂相比,三氯化铁作为反应催化剂是一种简单易得的商业用品,价格低廉,无毒无害且环境友好,适合大规模使用。

因而这一方法能够作为以往合成炔丙基化的芳香化合物方法的理想替代。

1,3-二羰基化合物的烷基化是生成碳-碳键的最有用的方法之一。

通常,该方法需要化学当量的碱以及卤代烃作为烷基化试剂。

,酸催化下的活泼亚甲基与醇的加成反应也可以实现上述转化,而且比上述方法更加经济。

然而,在现代有机合成中,这种策略仍亟需改进。

近年来,文献报道了一些过渡金属催化的炔丙醇类化合物的亲核取代反应。

让人惊讶的是,在这些报道的反应中,都没有用1,3-二羰基化合物作为亲核试剂参与反应的例子。

直到最近,三氟乙酸和对甲苯磺酸促进的炔丙醇与1,3-二羰基化合物亲核取代反应才见诸报道。

然而,强酸性的反应条件使得其应用收到限制。

我们最近发现,三氯化铁可以有效的催化炔丙醇类化合物与亲核试剂的取代反应。

该方法对碳、氮、氧、硫中心的亲核试剂都适用。

然而,在上述反应中,碳中心的亲核试剂只限于芳香化合物或烯丙基三甲基硅烷。

实验结果促使我们探索新的反应条件,以拓宽碳中心的亲核试剂的范围。

我们成功发展了一种三氯化铁催化的由β-二羰基化合物与乙酸炔丙酯发生亲核取代制备γ-炔酮化合物的新方法(图2)。

苯基、非苯基二酮以及β-羰基酯都能直接用作亲核试剂很好地参与反应。

该反应条件温和,产。