《消除反应》PPT课件.ppt

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1、第六章,消除反应,可视为加成反应的逆过程。从消除的原子或基团间的相对位置不同，可分为消除反应(1,1消除)、消除反应1，2消除)、消除反应(1，3消除)及消除反应(1,4消除)等。,6.1.1 消除反应,6.1消除反应(Elimination Reaction),6.1.2 消除反应,6.1.3 消除反应,6.1.4 消除反应,上述诸种消除反应中，最普遍、最重要的是 消除反应。消除反应往往与亲核取代反应相伴发生。例如：,选择适当的反应物和适宜的反应条件，可以获得以消除反应为主的产物具有碳碳不饱和键的化合物，因而消除反应在有机合成上有着重要的意义，并成为有机合成化学中基本的单元反应之一。消除反应

2、除生成碳碳不饱和键化合物外，按被消除的反应物的不同还将生成H2、H2O、HX、X2、NH3、胺等，从而相应有脱氢、脱水、脱卤化氢、脱卤、脱氨、脱胺等反应。羧酸及羧酸盐的脱羧反应虽末形成新的碳碳不饱和键，但脱去CO2，一般亦将其归入消除反应的范畴。上述消除反应中，脱氢已列入氧化一章，其它各种消除将在本章予以阐述。,消除反应需要酸、碱催化的离子型消除反应和不需酸、碱催化仅受热即发生的热消除反应。两者在合成上都有重要的价值。,6.2 消除反应的机理及其规律,该类消除反应依共价键断裂与形成的次序,可有E1,ElCB和E2三种机理。1.E1：离去基团先从反应物离去生成正碳离子，继而质子接受体(溶剂)从正

3、碳离子接受一个质子并形成烯键。此两步反应前者速度较慢，是决定消除反应速度的步骤，后者则速度较快。,6.2.1 离子型消除反应的机理,由于在决定反应速度的步骤中仅反应物分子参加，因而叫单分子消除反应（E1）。El的反应速度与反应物的浓度成正比。,醇消除反应历程,该反应分两步进行：首先在碱催化下，碱与反应物中的H原子结合生成共扼碱(Conjugate Base)的负碳离子，该负碳离子中的离去基团带着一对电子离去并形成键。,2.E1CB(单分子共轭碱消除反应),ElCB与El均为两步反应，但中间产物为负碳离子，其反应速度与反应物的浓度与碱的浓度成正比。,双分子的过渡状态的反应历程，碱夺去处于离去基团

4、位的氢原子与离去基团离去并形成烯键的过程是协同进行的。,E2为一步反应且其反应速度与反应物浓度和试剂的浓度成正比。E2反应中试剂进攻H原子，还可能进攻C原子生成取代产物，所以E2与SN2常相伴发生。必须指出El，E1CB和E2仅是离子型消除反应的三种极限的机理，它们并非孤立的，随着反应条件等的差异可相互转化，如图41所示；,3.E2（双分子消除反应）,图4-1离子型消除反应的过渡状态,消除反应按何种机理进行不仅与反应物结构(包括立体形象与离去基团的性质)有关，还与进攻试剂及介质的性质有关。总的说来，有利于形成稳定的正碳离予的反应物按E1机理进行；有利于形成稳定的负碳离子的按E1CB机理进行；中

5、间的情况则为E2。因而，反应物C上具有供电基团、离去基团的离去能力强、进攻试剂的碱性小、介质的极性大等均有利于按E1进行反应；而当反应物C上有强吸电子基团，或虽该基团的吸电子能力较弱，但在强碱试剂作用下，有利于失去H形成稳定的负碳离子，因而有利于按E1CB进行反应。适中的情况则按协同的E2进行反应，其它则为似El或似E1CB。,离子型消除反应与取代反应具有类似的机理，前者无论为单分子消除抑或双分子消除，每每与后者相伴发生。以何者为主，常依反应物的结构、试剂、介质、温度等诸因素而异，情况颇为复杂。虽迄今定量的描述尚付阙如，唯仍可总结出一些定性的经验规律。1.双分子反应（E2）：一般说来伯卤代烷与

6、亲核试剂作用较易发生SN2，尤其与强亲核试剂作用时这一倾向更大。而若其位有活泼氢(如苯甲型、烯丙型)，则E2的速度增加。当伯卤代烷与强碱试剂作用时将以E2为主，如由于碱性NaNH2EtONa,则：,6.2.2 离子型消除反应与取代反应,C上有侧链的伯卤烷及仲卤烷，由于空间位阻SN2较缓慢,消除反应倾向增加。尤其在强碱试剂和低极性介质中E2将处于优势；而强亲核试剂与低极性介质则有利于SN2反应。值得指出，试剂的体积大时，不易于与位于中间的碳原子接近而较易于接近位上的氢原子，因而有利于E2。,一股说叔卤代烷倾向于发生单分子反应，尤其在无强碱存在时主要是SNl与E1两种反应彼此竞争。何者居优势主要取

7、决于烷基的结构，取代基的空间位阻愈大，愈不利SNl，而对E1愈有利。例如，2氯2甲基丁烷、4氯-2,2,4三甲基戊烷与4氯-2,2,4，5，5五甲基庚烷进行溶剂解时消除产物将依次增加，分别为34%、65%、l00%。反应条件对叔卤代烷的消除反应和取代反应产生不同的影响。例如随着试剂碱性的增大和碱浓度的提高，将使取代反应受到抑制而消除反应的倾向增加且主要增加E2反应。总之，除了反应物结构的因素之外，进攻试剂和反应介质将对消除反应及伴随其发生的取代反应产生影响。试剂碱性的强弱对两者速度的影响不同；而试剂浓度的变化对两者速度的影响却具有平行的关系，,2.单分子反应（E1）,虽在强碱试剂作用下，试剂浓

8、度可改变两者的机理(单分子或双分子机理)，但却未能改变两种反应产物的比值。介质的极性增大时不利于双分子反应，尤其更不利于E2，但总是有利SNl。对E1的影响可出现两种相反的情况：当反应物带有电荷时，介质极性增大，消除反应速度较慢，而不带电荷时速度较快。此外，较高的温度有利于增加消除反应的产物，此系由于消除反应往往需要较之取代反应更高的活化能。综上所述，如E1，E1CB与E2之间没有不可逾越的鸿沟一样，消除反应与取代反应之间在适宜的反应条件下亦将相互转化。掌握上述原理将有助于在合成中对反应进行有效的控制，以期达到预期的目的。,当消除反应有两种可能方向时，以不饱和碳上烷基最多的烯烃一Saytzef

9、f烯烃为主要产物；带有电荷的化合物如季铵碱、锍碱等分解时，则以不饱和碳上烷基最少的烯烃Hofmann烯烃为主要产物。消除反应的这些定向规律与其机理有关,El反应遵从Saytzeff规则，ElCB反应则遵从Hofmann规则。E2反应情况较为复杂，完全协同进行的E2遵从Saytzeff规则，似El与似E1CB分别遵从Saytzeff规则与Hofmann规则。,6.2.3 Saytzeff规则与Hofmann规则,不需酸碱催化的热消除反应为单分子反应，它系通过环状过渡状态进行的。消除的 H与离去基团处于顺式共平面时才能形成这种过渡状态，因而具有顺式消除的立体化学特征，谓之Ei.(1)酯的热分解：常

10、用的酯为醋酸酯,主要产物为Hofmann烯烃。,6.2.4 热消除反应的机理,(2)黄原酸酯的热分解(Chugaev反应),该反应热消除的条件较为缓和；若在DMSO或THF中进行，室温下亦可发生消除反应。Cope反应的主要产物为Hofmann烯烃。,(3)叔胺氧化物的热分解(Cope消除反应),6.3 脱水反应(Dehydration),醇脱水是制备烯烃的一种常用的合成法，常用的脱水试剂有酸(如硫酸、磷酸、草酸)、酸性氧化物(如P205）、碱(如KOH)、盐（如NaHS04、KHS04)、碘等。较新的试剂有二甲亚砜、异氰酸苯酯、N溴代丁二酰亚胺吡啶、磷酰氯(或亚硫酰氯)。最常用的是酸催化脱水。

11、醇脱水成烯的反应为叔仲伯的次序：,醇的脱水反应,分于间脱水成醚，为醇脱水成烯的副反应。此两种倾向的大小取决于醇的结构、脱水剂的性质与反应条件。伯醇在较低的温度下成醚，较高的温度下成烯，仲醇在适当条件下也能成醚，但比伯醇难；叔醇则易成烯而不易成醚。在用酸进行催化脱水时，烯键的位置或碳骼结构往往与预期的结果不符。例如：正辛醇脱水，反应预期主要产物应为1辛烯，实际主要产物为2辛烯及少量3辛烯，而无1辛烯；,某些醇类，尤其叔醇脱水时易发生碳骼重诽(Wagner重排)。,龙脑,莰烯,在某种情况下，环烷醇脱水时将导致扩环或缩环，例如：,一些脱水试剂具有选择性的脱水效果，如DMFNaOAc即属于此类，它只选

12、择性地使分子中的某一羟基经脱水而失去，而不影响其它羟基。例如：,二甲亚砜则对于叔羟基化合物和1，4二醇具有良好的脱水功能。例如：,多元醇中丁二醇类、甘油、片呐醇的脱水反应具有理论与实际的意义。丁二醇脱水生成1，3丁二烯，甘油脱水成丙烯醛，而片呐醇类脱水发生片呐醇重排反应。,思考题,1.用C3以下的有机物为原料合成CH3CH=C(CH3)2,2.用C2以下的有机物为原料合成CH2=CH-CH=CH2,3.用 C5以下的有机物为原料合成,4.用C3以下的有机物为原料合成,5.用C4以下的有机物为原料合成,羧酸的脱水反应可有分子内脱水与分子间脱水两种。有的羧酸既能发生分子内脱水又能发生分子间脱水；不

13、同的羧酸脱水的难易程度不同。一元羧酸中，甲酸分子内脱水生成C0。乙酸分子内脱水生成乙烯酮为工业上制备该化合物的方法之一。,一元羧酸在脱水剂作用下分于间脱水成酐，能生成稳定五员或六员环酸酐的二元羧酸及其同系物等，在勿需脱水剂的情况下加热即可分子内脱水生成相应的酸酐。,6.3.2 羧酸的脱水反应,戊内酯,羟基和羧基间隔五个或五个以上碳原于的羟基酸，受热发生多分子间的脱水反应生成聚酯：,思考题,1.用C4以下的有机物为原料合成,2.用C2以下有机物为原料合成,3.用C2以下的有机物为原料合成,4.用三乙和必要的试剂为原料合成,酰胺的脱水反应可在P2O5、POCl3、SOCl2、PCl5等脱水剂存在下

14、进行脱水反应生成腈，此为实验室合成腈的方法之一。,将酰胺与P2O5的混合物加热，反应毕将生成的腈蒸出可得到良好的收率。SOCl2最宜于处理高级的酰胺，这是由于副产物均为气体，易于除去，因而减少精制脂的困难。,6.3.3 酰胺的脱水反应,6.4.1 烯类的制备 在碱性试剂作用下，卤代物若脱去一分子HX即形成烯类化合物。不同的卤代物脱HX的难易程度不同，其活性次序为叔仲伯。NaOH,KOH、K2C03、Ca(OH)2及吡啶等均可作为脱HX的碱性试剂。当用KOH水溶液处型卤代物时，陈烯烃外，同时产生较多量的醇，烯的收率随KOH溶液浓度的增加而增高，因而制备烯类化合物常用KOH的醇溶液(这时副产物为醚

15、)。,当脱HX可能生成烯烃异构体时，一般遵从Saytzeff的择向规则；,6.4 脱卤化氢反应(Dehydrohalogenation),环己烷衍生物脱HX倾向于反式共平面消除：,反应物(I)脱HX产物为Hofmann烯烃，并不遵从Saytzeff规则；反应物(II)的主要产物为Saytzeff烯烃，与Saytzeff规则相符。多数卤代物难溶于水,这时消除反应宜于有机介质如ROH、DMF、DMSO等中进行。在脱HX反应中精心选择消除试剂、溶剂和反应条件十分重要。一般而言，增强试剂的碱性与浓度、使用非质子极性溶剂以及提高反应温度均有利于卤代物脱HX而抑制取代副反应的进行。试剂的选择视卤代物脱HX

16、的难易而定：难以脱HX者宜选用强碱试剂井辅以较高的反应温度；易于脱HX者则宜选用弱碱试剂并辅以较低的反应温度。使用有机碱试剂可抑制取代反应的进行。,思考题,1.用C4以下的有机物为原料合成,2.用甲基环乙烷为原料合成,(其它的可以参照此合成),1,1或1,2二卤代物或1卤代烯脱HX时,生成炔类化合物，此为制备炔烃的主要方法之一。,6.4.2 炔类的制备,（1）,（2）,脱HX制备炔类化合物常用的碱性试剂有KOH(醇液、固体或熔融)及NaNH2。前者使叁键从链端向链中间位移；后者则使叁键从链中间移向链端，进行合成时需加注意。必须指出反应(1)系分两阶段进行，第一阶段生成卤素位于双键的碳原子上的产

17、物，由于 共轭该产物活性甚低难进一步消除。为此第二阶段脱HX需强化反应条件才能实现，通常需要高温并使用强碱试剂。显然反应（2）同样需要在强烈的反应条件下进行。,思考题,1.从顺-2-戊烯合成反-2-戊烯,2.从2-戊烯合成2-戊炔,3.从1-戊烯合成1-戊炔,4.以1-戊烯为原料合成顺2-戊烯,邻二卤代物和邻四卤代物经脱X2可分别形成烯烃和炔烃。唯邻-二卤代物不易获得，因而除特殊情况外，用此法制备烯烃无实际价值。但是，该法十分适于精制及分离烯烃，例如，将含杂质的烯烃经溴代使其先行转变为难溶的二溴化物，与杂质分离后即脱溴，使可得到纯粹的烯烃。卤代物的脱卤反应在有机合成中还用于脱除原先为保护烯键的

18、卤素。常用于脱卤素的试剂为HI、ZnH+SnCl2Na3AsO3剂)或金属锌(脱卤剂)。,6.5 脱卤素反应(Dehalogenation),在合成方面的应用,6.6 季铵碱的消除反应,季铵碱受热发生分解而脱去叔胺形成烯烃，是较好的烯类化合物的合成法。这是由于该法不至于产生如醇脱水与卤代物脱卤化氢那样的双键移位或碳胳重排，因而可用于一些特殊烯烃的合成，但本反应主要用于生物碱结构的测定。季铵盐经由季铵碱的消除谓Hofmann消除：,季铵碱热分解时主要产物为双键上烷基最少的Hofmann烯烃：,当-C上有苯基、乙烯基、羰基等吸电子基团时，消除 反应不按Hofmann规则。例如：,思考题,1.以2-

19、甲基四氢吡咯为原料合成1，4-戊二烯。,2.以3-甲基四氢吡咯为原料合成2-甲基-1，3-丁二烯。（合成略）,6.7.1 羧酸酯的消除反应 羧酸酯的消除反应在较高温度下进行。由于醋酸酯易于得到，且生成烯烃的过程中伯醇的醋酸酯一般很少或不发生异构化，因而制备烯烃的羧酸酯多用醋酸酯。羧酸酯的热消除与离子型消除不同，系经由环状过渡状态，为顺式消除。顺式消除可经由下列反应得以证实，将化合物(I)加热得到含D的E-1,2二苯乙烯(II)，而加热(I)的异构体(III)却得到不含D的烯烃(IV)：,6.7 酯与胺氧化合物的消除反应,思考题,1.完成下列反应,参考答案,6.7.2 黄原酸酯的消除反应,黄原酸

20、酯热消除得到烯烃谓Chugaev反应。该反应与上述羧酸酯的热消除类似，但消除反应的温度较低，无酸性消除产物生成，适于对酸敏感的烯类化合物的合成，而且不会导致碳骼重排，因而是较为重要的合成法。黄原酸酯的制备如下：,思考题,1.完成下列反应,参考答案,叔胺经H2O2氧化可生成相应的氧化物，后者可在缓和的条件下经热消除生成烯烃，此谓Cope消除反应。该反应经由五员环的过渡状态，同样具有不发生重排的特点，为制备烯烃的一种有价值的合成法。,6.7.3 胺氧化物的消除反应,胺氧化物的消除反应主要产物为Hofmann烯烃。少量生成的Saytzeff烯烃中,由于生成烯烃的环状过渡状态中两个甲基的距离Z烯烃小丁

21、E烯烃，因而前者少于后者：,思考题,1.由C4以下的有机物为原料合成,凡符合HO-CO-CH2-X=Y结构的羧酸，其间有重键者，均易失去CO2，例如，丙二酸、丁酮酸、硝基乙酸及氰乙酸等,6.8脱羧反应(Decarboxylation),脱羧反应为羧酸类化合物的通性。芳核侧链上的羧基容易脱去CO2(如肉桂酸)，但直接与芳核相连的羧基则较困难，常需在Cu粉催化作用下及在喹啉溶剂中才能进行，具有芳香性的杂环上的羧基亦为如此(如呋喃甲酸)。若芳核上羧基的邻、对位上有OH、一NH2、NO2者较易脱羧。羧酸及羧酸盐的脱羧反应的可能机理为：,脱羧反应为一种降级方法Degradation)，在有机合成中常用以合成烃、酮的产物。在著名的 丁酮酸酯合成及丙二酸二酯合成中，亦利用这类反应：,思考题,1.用丙二酸二乙酯和C5以下的有机物为原料合成,2.用丙二酸二乙酯和C5以下的有机物为原料合成,3.用三乙和适宜的有机物为原料合成,The end,