物理有机化学（浙江大学）第7章消去反应.ppt

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 main types:,The E1 Reaction:,Alkyl derivatives的溶剂解常常得到取代和消除的混合产物。在高介电常数的溶剂中，虽然反应速率随离去基团的不同而不同，但取代与消除的比例与离去基团无关。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，但消除与取代的比例不变。因此，早期的研究者推测“first-order elimination (El) and first-order substitution (SN1) share a preliminary, rate-determining step”。 但进一步的研究发现，在电离能力比较小的溶剂中，取代与消除的比例是与离去基团的性质有关的。例如，在冰醋酸中，氯代叔丁烷的溶剂解得到73%的烯烃，但当离去基团是CH3SCH3时，只生成12%的烯烃；这样的事实说明在电离能力较差的溶剂中，离去基团与碳正离子形成了紧密离子对，离去基团成了夺氢的碱。,对于E1反应过渡态的这种解释可以用来预测溶剂对产物立体化学的影响。在能使底物完全电离的溶剂中，完全溶剂化的平面碳正离子从两边失去一个质子的几率是相等的。在非极性溶剂中，中间体是紧密离子对，质子的消除受到离去基团的影响，主要从离去基团所在的一边失去，因为离去基团往往是比溶剂更强的碱。因此，syn-elimination would be the result.这些预测已被实验所证实。,例如，Skell and Hall研究了赤式-3-D代-2-丁醇对甲苯磺酸酯。Syn消除将得到非氘代的cis-2-丁烯，和氘代的trans-2-丁烯。但反式消除将产生氘代的cis-和非氘代的trans-2-丁烯。实验中，在电离能力较差的硝基甲烷中，产物几乎完全是syn消除的；但在乙醇和水的混合溶剂中，顺式和反式消除都有。,如果有两种氢可被消除，就有区域选择性的问题。Saytzeff规则说双键是生成在取代基较多的碳原子上。对E1消除，很容易看出为什么会生成取代基多的烯烃。因为在决定产物步（the product-determining step）的过渡态，已有了部分双键的特征，因此，最低能量的过渡态是将生成最稳定双键的。烷基可以通过超共扼而使双键稳定。 但如果碳正离子是处于紧密离子对中时，就可能不遵守Saytzeff规则。例如，在醋酸中从下列化合物消除HX得到的产物是,当离去基团的碱性越强， Hofmann烯烃越多,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 double 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.,产物组成的变化可以用Hammonds postulate假设来解释。由底物电离的离子对中的离去基团碱性越大，离去基夺氢就越早，其决定产物步的过渡态就越像碳正离子，其双键的特征就越少。,Carbanion Mechanisms, the ElcB,如果与E1相反，不是有一个好的离去基，而是有一个酸性较大的-氢，就会先消除一个氢，再丢掉离去基。这就是碳负离子的机理。根据反应速率的不同，以及所生成离子的溶剂化程度的不同， E1cB机理有几种不同的类型。,E1cB类反应的机理可以有四种类型。,(E1)anion:,K1k1、k2, 特点：-氢的酸性很强，质子可以认为是自动离去，如有足够的碱存在，则在离去基离去前，H几乎已全部离去。,(E1)anion机理的反应不是很多，因为要求-氢的酸性很大。例子有：,k2 kl BH+ Equation 7.39 can be simplified to Equation 7.40.,(ElcB)R是指碳负离子与起始物成快速平衡，而离去基团在随后的慢速步中离去。这种情况出现在氢的酸性很大而离去基的离去能力较差时。如果假定碳负离子中间体总是以不变的较小的浓度存在，就可以利用静态近似的假定来求得它的浓度，并写出该消除反应的速率方程。根据定义，,从方程式中可见，(E1cB)R的反应速率是与碱的浓度无关的，假如碱与其共轭酸的比例B/BH+保持恒定。这反映出这类反应是受specific base催化的。,如果-氢的酸性比(E1)anion所要求的小，而k1与k1相当，但k2仍然是小的(k1k1 k2),则从原料生成的负离子为快速平衡，而离去基的离去仍然是慢的一步，则称为 (E1cB)R,An example of such a reaction is elimination 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机理是与(ElcB)R相近的。差别仅仅在于在(ElcB)ip机理中the free anion is not formed but remains intimately associated with the newly protonated base,如果质子化的碱是正离子，就形成离子对，如果质子化的碱是中性的就形成氢键对。,一个确实以这种机理进行，确实生成了离子对的反应是，1,2-二溴乙烯与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与非氘代的相当，kH/kD1，去质子这步就不包括在决速步中。因为加入Et3N+DX不影响反应速率，而且与溶剂不发生氘交换，因此没有(ElcB)R机理存在。显然，紧密离子对要不返回原料，要不就是丢掉一个溴负离子生成产物，丢溴负离子是慢的一步。但不生成自由的碳负离子。,最后是(E1cB)irr机理。在这种反应中，离去基团的离去能力很强，以致去氢成了决速步，对于这种情况(k2 k1BH), 速率方程就成为,34与35的差别很小，仅仅在于苯甲酸根的离去能力比CH3O大。这例子说明碳负离子机理对底物结构和反应条件是极为敏感的。,因此，这类反应的速率是与碱的浓度有关的，即，这类反应应是受general-base催化的。从下列化合物消除一分子苯甲酸是受普遍碱催化的，其速率与苯环上的取代基的性质无关。普遍碱催化这一点排除了(ElcB)R机理，而离去基性质对反应速率没影响排除了所有在过渡态还有碳离去基键的机理.,碳负离子机理可以是syn-消除，也可以是anti消除。例如，Hunter和Shearing研究了用BuO来从36和37中消除一个甲醇。因为与溶剂的氘交换速率与消除速率相当而竞争，因此该反应是(ElcB)R机理。,消除的Syn/anti的比例在约为Syn/anti75左右变动，所以碳负离子机理以顺式消除为主。这个比例与所用正离子有关，以Li+ K+ Cs+ (CH3)4N+的次序下降。因为认为顺式消除的过渡态应是如下的环的络合物，所以正离子与氧的络合能力越强，顺式消除的比例也越大。 (CH3)4N+与氧络合能力最小，所以优势生成反式的消除产物。,对碳负离子机理来说，底物如果有两个有氢的-碳，则酸性大的氢将会优先被夺掉，因此，得到的优势产物是取代较少的烯烃，即Hofmann消除是主要的。,E2消去 (1) 二级，rate = ksubstrateB:; (2) 如果-H被-D取代，则速度下降，kH/kD较大； (3) 反应速度取决于离去基团的性质，,为避免发生E1, X必须不怎么容易离去； 为避免E1cB, -H不应过于酸性。 由于某些E1cB的机理也是二级，区别E1cB和E2较困难，但区别的方法还是有的，1983JACS265上有介绍。,严格说来，E2反应是不容易的，因为Two-bond reactions have a higher activation 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 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 transition states E2反应不生成中间体，而是有一个过渡态T.S.,但HC和CX在过渡态中不一定相等。它们是与底物结构和反应条件有关的。例如，,真正的E2是一种极限。,在质子溶剂中，E1-like反应是不常见的，相反，具有good leaving group的化合物给出纯E1机理。但在非质子溶剂中，似E1的E2反应确实有。,在非质子溶剂中，弱质子碱如PhS-和Cl-可能比强碱RO更有效。,弱碱催化的消除(Elimination by weak Base),Ex.: t-BuBr曾被认为只进行E1消去。后来发现，在丙酮中，用NaCl作为碱，t-BuBr可以双分子机理发生消去。事实上，Cl-是比对硝基苯酚负离子更有效的催化剂。虽然对硝基苯酚负离子作为夺氢的碱要比Cl-强1010倍(1972JACS2228,2240).,PhS比EtO的碱性弱1010.但在EtOH中PhS使t-BuCl的消去却快10倍。对于这种反应的机理有极大的争议。鉴于这类反应的速度与SN2有一定的相关性，Winstein和Parker提出，在非质子极性溶剂中，T.S.谱从似E1cB延伸到一个由碱推出离去基而不是去进攻质子的T.S.,以EtO为碱:,说明X不同时T.S.中CH(D)键的断裂程度是不同的。,相似的，在下列反应中，如果X不变，取代基Y的值与反应速率的对数成线性关系，但斜率() 与X有关，X不同斜率不同(见下表)。因此，C-H键在T.S.态时的断裂程度是与离去基X有关的。别的影响过渡态性质的因素有：碱的强度，溶剂，和底物的结构。,因此Bunnett在Angew. Chem. 1962, 225上提出了E2反应机理谱的概念，从“似E1cB”（C机理）(C-H键断裂大大早于C-X)到“似E1”（C+机理）(C-X键早于C-H先断裂)。介于两者之间的是协同的E2。,为了支持这个假设，Weistein注意到，当用硬碱作催化剂时，化合物的消去速度取决于硬碱对质子的碱性，如在Bronsted关系式中所示，,但如用软碱作cat.时，从T.S.(E2C, 似E1)不应得出如上的关系式，却应在(E2C)的速度与SN2的速度之间有线性关系：,下列图表就是这种线性关系：,从这种情况出发，Parker and Winstein认为弱碱催化下的消除反应的过渡态应是弱碱将离去基团“推”出去的一种结构：,(E2C,似E1)过渡态理论曾受到强烈批评，因为上图的关系式对软碱催化的E2反应并不普遍；SN2反应对空间阻碍很敏感，但所谓的E2C机理受空间影响并不大。,现在大多数研究者认为对E1-like的反应，42式最恰当地表示了其过渡态，或者是略为弯曲的44式。在以44式为代表的过渡态中，碱对离去基略为施加了一些静电排斥作用。,2E2反应的反应坐标图 改变底物结构或反应条件对E2反应T.S.的影响，可以用三维反应坐标图来预测。,图(a)表示了将离去基换成离去能力较差的，这将导致E1离子对中间体能量升高，过渡态就将移到*p，在过渡态时C-X的断裂程度不变，但C-H的断裂程度增大，过渡态更具碳负离子特性。,这个预测被表中的值所证实，较不活泼的离去基N(CH3)3使C上具有更负的电荷(= +3.77),而较活泼的离去基-I则使C具有较少的负电荷(= +2.07),同位素效应也符合，当离去基为Br时，过渡态时H约为一半转移；当N(CH3)3为离去基时，则是个不对称的T.S., H的转移已过半。,为正值的反应是被苯环上吸电子取代基(m-或p-)所促进的反应，为负值的反应是被苯环上推电子基(m-或p-)所促进的反应,图(b)表示较强碱的影响：在中心E2机理的基础上，增加碱的强度将降低E1cB中间体的能量，降低产物的能量，图的右边的能量将降低，T.S.将沿R2和1移动,因此将移到*p(垂直向上移动), 其中C-X断裂较少而C-H断裂程度不变，这意味着C的碳负特性增加和双键特征减少。,图（C）表示在中心E2机理的基础上，在C上增加吸电子基团，使右后角能量降低，但仅影响到右后角一个“角”，并不影响到一条边，所以过渡态从*p移到*p，过渡态变得更像碳负。,Gandler 和Jencks研究了这个化合物的碱催化消除(在水中)，发现当Y的吸电子能力增大时，过渡态确实更具碳负特征，直到Y=4-NO2, 其机理已经变成(E1cB)irr.,图(d)表示推电子基在C上的影响，使左前角能量降低，T.S.从*p移到*p，即C-X间距增大，而C-H间距减小，即离子对的特征增大，反应趋向E1-like. 改变化合物46上的Y基证明，不论是推电基还是吸电基，都能增大46的反应速度，并使其机理变为E1-like or E1cB-like.,反应条件改变导致中心E2反应过渡态结构改变的预测,这个表是总结了前面的几种情况。,定位取决于特定反应的T.S.位于机理谱的什么位置？ (a) 对中心E2，双键明显已高度发展，因此双键的相对稳定性是决定产物的控制因素。 (b) 对E2H反应，在其过渡态已有如此显著的碳负离子特征，以致最稳定的T.S.将是在C上具有最稳定的负电荷，因此，两个C上的氢的相对酸性对于决定产物有超过一切的重要性。所以主要生成Hofmann烯烃。 (c) 离去基团的影响 对于下列的反应，离去基为不同的卤原子时，生成烯烃的比例不同：,3. E2反应中双键的定位,F的电负性大，使-氢变酸性，本身又不易离去，所以机理比较接近E1cB, 酸性较大的伯碳上氢的失去为主，主要得Hofmann烯。随着卤原子电负性的减小，离去能力增强，机理更接近于E1端，产物主要是Saytzeff烯烃。,(d) 碱性强弱的影响： 现在认为是碱性强弱的影响，下列反应中试剂的碱性越强，Hofmann烯烃就越多。,碱的体积大也有利于生成取代基少的烯烃。,(e) 离去基体积： 离去基体积大，则取代基少的烯烃增多。,当离去基带电荷时影响更大，可能带电荷的离去基溶剂化作用大，整个基团体积更大了,由于所有E2消除的过渡态都有部分双键的特征，因此，为使反应顺利进行，需H和X在过渡态中为Syn- or anti periplanar.,4. Stereochemistry,究竟syn为主，还是anti为主？当其他条件相同时，anti消去比syn消去的能量低。,E2C: B不仅夺氢，对离去基也有逼其离去的作用，因此以反式消去为主。,E2H: 下图即为E1cB-like的syn-和anti-消去的过渡态的分子轨道：可以看出(a)syn-消去是重迭式，(b) anti-消去是staggered,因此anti-elimi是能量上有利的。,(a),(b),另一方面，从前线轨道看，也是anti-有利一点：在反式的T.S.中如左图所示, 右图为syn-消去的,SN2反应可以看做是Nucleophile的HOMO与底物C-X键的LUMO的相互作用，一个1,2-消除反应可以看成是分子内的SN2反应，其中离去基被-C上发展的电子对所取代，即-C上的电子对就是亲核试剂。因此-消除在充满的C-H的-轨道（Nu）的HOMO能最好地与空的C-X 的*轨道（被取代的-键的LUMO）即LUMO相作用时，其反应能顺利进行，这个HOMO对LUMO的定位，在反式的T.S.中如上左图所示, C-X反键*轨道的较大瓣，不在C和X之间，而是在C和X的背面。因此，anti消去的T.S.容许较好的HOMO-LUMO重迭（大瓣与大瓣），相反，syn消除中的HOMO-LUMO是大瓣对小瓣，重迭较差。,可是当T.S.有明显的负离子特征时，则有syn消除，而且当： (1) H-X的夹角为0是可以达到的，但180夹角达不到，即H- X能为syn periplanar,但达不到anti periplanar; (2) syn-H比anti-H更活泼时； (3) syn消除由于空间原因而被促进； (4) 一个负离子碱与其正离子络合； Back提出，syn消去的总的需要是T.S.有明显的碳负离子特征。这是因为syn消去是在syn构象中，起始质子除去而留下来的C-H的HOMO和C-X的LUMO不能有效地重迭，因此C随离去基(H)的离去而同时转化（轨道变形），并与C相互作用，但转化（下式中的第二步）只能在氢从C上被拉走以后，所以syn消去需要明显的碳负特征。,类型(1)的实例：,当加入冠醚18-冠-6，由于它是Na+离子的最好络合剂，使syn消去量降低到70%，这说明在冠醚不存在的syn消去中，Na+离子显然络合到离去基和碱上(类型4的例子)，,类型(2)的例子有：,其中H1是活化的，而H2不是，所以H1的消去大大占优势；但当加入冠醚后，syn-消去的量减少。上述化合物用t-BuOK-t-BuOH处理时在65C下得到的消去产物的比例为：,因为(a)构象虽然所有相关原子和原子团处于交叉式，(b)构象中为重迭式，但仅是H or D与其它原子团重迭，当R1和R2的空间要求增大时，(b)构象的稳定性会越来越大于(a)构象。,Saunders研究了在强碱催化下的下列季铵盐的消除反应，anti elimination得到61，它必须从(a)构象出发；syn消除得62，它从(b)构象出发。如下表所示，增大R1和R2的体积，即增加它们对空间的要求，syn-elimination的量就增加了，这是合理的，,类型(3)的例子有：,Table Stereochemistry of Elimination from,弱碱催化下的反应则完全是anti elimination, 因为弱碱不可能导致E2H碳负离子生成机理，即使得到的产物是不很稳定的。例如用N(Bu)4Cl作碱，63生成99.9%的64；另一非对映异构体65生成99.9%的66.,由于烯氢的酸性大于烷氢，乙烯基卤化物RCH=CRX比烷基卤化物更易进行E1cB elimination.但是如果没有吸电子基使烯质子的酸性增强的话，或者所用碱的碱性不是太强，则还是E2机理，因而anti elimination is much prefered pathway.,因为在SN2和E2反应中都