高等有机化学加成与消除反应.ppt

1、第5章 加成与消除反应,谢 斌 教授,加成与消除反应是方向相反的两个过程，一般说来，这两个过程按相似的历程的相反方向进行，体系的终态决定于反应条件。,5.1 亲电加成 5.1.1 亲电加成反应机理,加成反应包括：催化氢化、亲电加成、亲核加成和自由基加成,AdE2历程,1.,2.,AdE2历程,3.,协同的AdE3历程,立体化学为反式加成,4.,鎓型盐AdE2历程,立体化学为反式加成,5.1.2 氢卤酸对烯烃的加成 5.1.2.1加成方向 不对称烯烃和不对称试剂加成时，存在加成方向问题。,区域选择性反应,区域专一性反应,区域选择性(regiosesletive):不对称烯与不对称试剂加成以其中一

2、种取向为主的反应.,区域专一性(regiospecific):不对称烯与不对称试剂加成只有一种取向的反应.,马氏规则:氢优先加到含氢较多的双键碳上.,1比2稳定,双键上带强吸电子基时，不对称烯与不对称试剂的加成，形式上为反马氏产物，实质上仍然符合马氏加成规则. 即主要产物为亲电中心加在带部分负电荷的双键碳原子上，以形成更稳定的碳正离子中间体。,更稳定,5.1.2.2 加成的立体化学,1对于一个简单的非共轭烯烃，反式加成为主，在动力学上表现为三级反应.,r=kHX2alkene,相当不稳定,对向加成(anti add),2如果双键与能稳定碳正离子的基团共轭时，发生AdE2历程，顺式加成为主。,C

3、-H键的形成不需要另一HX的协同进攻，紧密离子对的离解速度快于C-C键的旋转。反应以顺式加成为主。,同向加成(syn add),3在具有亲核性溶剂中反应时，产物复杂化,4形成的C+有重排条件时，可形成重排产物,5.1.3 烯烃的酸催化水合反应 分两步反应的碳正离子历程。 （1）得顺式和反式加成的混合产物，无立体选择性。,（2）有可能发生重排,只得到外式产物，无内式产物形成,5.1.4卤素对烯烃的加成,1简单烯烃的加成是反式加成,中间体为卤桥正离子(环状卤鎓离子),环状卤鎓离子,反式加成,卤鎓离子所有原子具有八偶体结构，比其碳正离子稳定,证据,苏式dl,100%反式加成,赤式meso,100%

4、反式加成,溴鎓离子历程，立体选择性和立体专一性,因p-共轭而稳定,顺式加成反应的比例增加,2共轭烯烃的加成 卤桥中间体可进一步形成碳正离子,氯代反应的立体选择性较低，顺式加成比例可以大于反式加成,氯电负性大于溴，其原子半径小于溴，形成氯鎓离子相对较困难，主要以碳正离子中间体形式存在，并且其寿命相对较长，有足够时间发生C-C键旋转。,主要,电子因素与空间因素均有利,2立体化学,B-H对烯烃是顺式加成,5.1.5 硼氢化反应,1.加成方向:反马氏加成氢加在含氢较少的碳原子上,反马氏的顺式加成（立体专一性和区域选择性）,硼氢化反应特点: 反马氏,顺式加成,不发生重排,炔烃发生硼氢化-氧化反应得到反马

5、氏加成的醛。,5.1.6 溶剂汞化 醋酸汞在亲核性溶剂中与烯烃加成，生成溶剂解的汞化物，后经NaBH4还原，获得醇、醚、酯等产物，立体化学为马氏、反式加成。,炔烃水解得酮,5.1.7 Normant反应 有机铜锂试剂与炔烃进行顺式加成的反应叫Normant反应。,主要用来合成顺式烯烃,亲核加成，得顺式烯基铜锂,5.1.8 卡宾和乃春对烯烃的加成 5.1.8.1 卡宾（Carbene）的加成 卡宾又叫碳烯，它是价电子层中只有6个电子的二价碳原子，它是一种亲电试剂，分为单线态和三线态。,合成方法,三线态卡宾为双自由基形式，为基态,单线态与烯烃加成时的立体化学为顺式加成。,顺式的一步协同反应,Sim

6、mons-Smith试剂：Zn-Cu偶加CH2I2的乙醚溶液，与烯烃反应得环丙烷衍生物。,5.1.8.2 乃春的加成 又叫氮烯，六电子的亲电试剂，存在三线态和单线态，三线态为基态。由叠氮化合物加热或光照产生。,5.2 消除反应 5.2.1概述,1.-消去反应 又叫1,1-消去反应, 生成卡宾或氮宾中间体。,2. -消去反应 又叫1,2-消去反应, 形成不饱和键。,-消除反应 形成环丙烷衍生物。,5.2.2 消去反应历程 5.2.2.1 E1、 E2、 E1cb及Ei历程 1. E1历程,与SN1相似，一级反应，可发生重排。不同之处在快步骤中失去-H.,v=k底物,二级反应，协同的一步反应，无中

7、间体。,-H酸性较强,一级反应,中间体碳负离子要求碳上连有强吸电基.,3. E2历程,2 . E1cb历程,4. Ei历程（分子内的热消去反应） 通过环状过渡态的一步消除，无中间体。如羧酸酯、黄原酸酯和胺氧化物等，不需要酸碱催化。,顺式消除 不需碱作催化剂 环状过渡态,5.2.2.2 影响消去反应的因素 一、反应底物的结构 1. 对E1和E2的影响 底物分子-碳上支链增多，消去反应的活性增大。,E1消除时，-碳上支链增多，碳正离子更稳定；E2消除，消除-H的机会增大，形成的烯烃更稳定； -碳有强吸电基时倾向于E1cb。,2. E和SN的相互竞争 （1）E2和SN2的竞争,按此顺序，亲核取代的位

8、阻逐渐增大，进攻-H的机会逐渐增大，形成的产物烯烃的稳定性增加。,（2）SN1和E1,-碳上的支链增多，SN1的快步骤中的位阻增大，有利于消除。,二、进攻试剂 1对E1和E2的影响 强碱有利于E2，弱碱或无碱的溶剂有利于E1。 2消除与取代的竞争 （1）强度 强碱有利于消除，弱碱强亲核试剂有利于取代反应。,碱性: C2H5O-CH3COO-,强碱的浓度越高，有利于双分子反应，特别是E2。低浓度碱或不用碱时，质子性溶剂中单分子反应占优势，特别是SN1。,(2)进攻试剂体积 大体积的强碱易发生E2，而不利于SN2（空阻）。,三、离去基 好离去基有利于E1和E2，不好的离去基如F-、R4N+有利于E

9、1cb（强吸电性，使-H酸性增加）。 四、溶剂 极性大的溶剂对单分子有利，对双分子不利，对E2更不利; 极性小的溶剂对双分子反应有利，对单分子反应不利，对E2更有利。,定速步骤中，单分子反应会出现电荷产生或集中，强极性溶剂有利于中间体的溶剂化而稳定，提高反应速率。 双分子反应的过渡态电荷分散，E2比SN2更分散，极性小的溶剂有利于电荷分散。,五、反应温度 消去反应的过渡态有C-H拉长和断裂，活化能比取代反应的更大，升温有利于消除。,25 9（SN1） 91（E1+E2） 55 0% 100%(E1+E2),5.2.3 消去反应的方向 5.2.3.1 Saytzeff规则 醇、卤烷、磺酸酯等遵从

10、Saytzeff规则，得热力学稳定的烯烃（带较多烷基的烯烃）,5.2.3.2 Hofmann规则 季铵碱和锍碱等消除形成双键上连较少烷基的烯烃。,9.3.3 消去方向与历程的关系,二、E1cb历程 遵从Hofmann规则。取决于H的酸性和C-的稳定性,饱和烷基碳上氢的酸性：1H2H3H(位阻顺序与此相同)。,遵从Saytzeff规则，形成热力学稳定的烯烃，如果空阻过大时则遵从Hofmann消除。,一、E1历程,三、E2历程 1中性底物的E2消除按Saytzeff消除; 2离去基带电荷的底物的E2消除按Hofmann消除，这时-H的酸性不同。,当-C上连有强吸电基,产物则遵从Saytzeff规则

11、。,H酸性大于H,共轭稳定,离去基越难离去时，越有利于按Hofmann消除,Saytzeff烯烃,碱的强度增大，有利于C-形成，反应越倾向于E1cb,用Me3CO- /Me3COH为碱时：,Bredt规则：消除时，不能在桥头碳原子上形成双键（不能共平面）,Hofmann烯烃,5.2.4消去反应的立体化学（E2） 5.2.4.1 反式消除（反式共轭消除、反叠消除） 采用交叉式优势构象，有利于:（1）过渡态中变形sp3轨道的重叠;（2）碱与离去基位阻最小,排斥力最小,(1S,2R),顺交叉式,对甲苯磺酸-4-叔丁基环已基酯的顺式和反式，分别在C2H5ONa/C2H5OH,70的条件下，顺式发生E2

12、,而反式只能缓慢的发生E1。,优势构象,a,a,优势构象,环不能翻转，否则有很大的排斥张力，反应速度缓慢。,反式共平面氢,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。,总之要求消除的原子或基团必须处于反叠共平面的关系,在环上发生E2消除时，被消除的两个原子或基团必须均处于a键上。,5.2.4.2 顺式消除（较少）,不能达到反叠共平面的E2只能按顺式消除,由于环的刚性，Me3N-C-C-H不能同处一个平面，但Me3N-C-C-D共平面，是顺叠构象，所以进行顺式消除。,Hb与OTs为反叠共平面，但酸性不如Ha,Ei(热消除)一般为顺式消除，这是协同过程。,顺式氢比反式氢活泼时，发生顺式消除。,（1）开链化合物的消去一般以反式消除为主，也存在