β消除反应

β消除反应CCHLCCH慢CCL+HCCHLCC+HB+LBCCHLBδδCLCHBCLC+HBCCHBLCCCCHBLΒ—消除反应定义：在一个有机分子里小区两个原子或者基团的反应。根据两个消去基团的相对位置分类，若在同一个碳原子上，称为1,1消除或者α—消除。如果两个消除基团连在两个相邻碳原子上，称为1,2消除或者β消除...以此类推。Β消除按照机理的不同可以分为单分子消除，双分子消除，单分子共轭碱消除。一．机理问题E1反应：机理：首先反应物的离去基团在溶剂的作用下带着一对电子离去生成碳正离子，第二步为碳正离子以质子形式失去一个β-H生成烯烃（第二步H往往转移给溶剂）。反应速率决定于反应第一步，即形成碳正离子的一步，第二步是快的一步，是一级反应，单分子过程。可见也是从动力学角度定义的。V=k[反应物]，与溶剂无关。反应活性：R3CXR2CHXRCH2X，间接说明有碳正离子中间体生成,而且当生成碳正离子越稳定,反应越优先按E1机理进行。选择合适的反应底物,在E1条件下完成消除反应时,常常发现重排产物.E2反应：机理：在双分子消除反应中，碱进攻反应物的β—H的同时，离去基团带着一对电子从分子中离去，在两个碳原子之间形成新的π键：典型E2的消除反应，新键的生成和旧键的断裂是协同进行的，碱参与了过渡态的形成，动力学表现为二级反应，反应速率与反应物和碱的浓度成正比。υ=κ[RX][B:-]E1cb反应：共轭碱单分子消除反应机理：碱首先夺去β-H生成底物的共轭碱碳负离子，随后离去基团带着一对电子离去形成π键。第二步从反应物的共轭碱碳负离子生成双键的反应也是单分子消除反应，称为E1CB（CB表示反应物的共轭碱）或称碳负离子历程。按此反应机理进行的反应应具备的条件:1.离去基团不易离去,即C-L键不易断裂2.β-碳原子上连有强吸电子基如：COCH3,、NO2、Me3N+等，从而使β-氢具有较强的酸性，容易离去，且碳负离子很稳定；二．立体化学：E2反应的立体化学：在发生消除反应时，所涉及消除的两个基团H和L在C—C键的两侧或同一侧，分别称为反式消除或顺式消除。E2反应对分子中被消除的两个基团H和L的立体化学要求是反式或对向消除。在可能快反式或对向消除顺式或同向消除的情况下，过渡态时两个被消除基团处于反式共平面的构象。如上面的示意图，随着C—L键和β-C—H键的逐渐拉长断裂，两个与L和H成键的碳原子的sp3轨道逐渐演变成p轨道并互相重迭生成π键。因此，在发生E2反应时，所涉及的H、C、C和L应处于同一平面上，H和L在C—C键的两侧。双分子消除反应的过渡态：在形成过渡态的时候，碳原子要由sp3杂化变到sp2杂化态，每个碳原子上要逐渐形成一个p轨道，在过渡态时以具有此中间态的性质。在生物中，两个碳和四个取代基是在同一个平面内，这样垂直于这个平面的p轨道才能平行重叠成π键，因此要求卤代烷中H-C-C-X四个原子也必须在一个平面上，H和X离去后新形成的p轨道才能平行重叠成π键。在这两种极限构相式中,H、Cb、Ca、L都处在同一平面内,故消除是有利的.要使H-C-C-X处在同一个平面有两种情况，一个是分子取对交叉构象，进行反式消除，一种分子取重叠构象，顺式消除。在其它情况相同时,立体效应将导致反式消除.因为反式消除比顺式消除具有较低的能量.反式消除的过渡态是交错的,顺式消除的过渡态则是重叠的.三．区域选择性：saytzeff法则、Hoffman法则内容：saytzeff法则：从卤代烃消去卤化氢时，含H较少的βC提供氢原子。主要生成不饱和碳上连着烷基数目最多的烯烃。当用空阻特别大的强碱时，反应的区域选择性会发生改变，生成反Saytzeff规则的产物一Hofmann消除产物。Hoffman法则：从季铵碱分解时，主要生成不饱和碳上连着烷基数目最少的烯烃。注意：若分子中已有双键（C=C，C=O）消去反应形成新双键的位置，以形成共轭双键的产品占优势。四．影响反应机理的因素：E1与SN1的区别是，首先都生成碳正离子，只是之后的负离子进攻的对象不同，SN1进攻α碳正离子，E1反应进攻β碳上的H。总结:卤代烷发生E1反应*13°RX2°RX1°RX*2有区域选择性时，生成的产物符合Saytzeff规则。*3当可以发生重排时，主要产物往往是稳定的重排产物。*4若生成的烯烃有顺反异构体，一般是E型为主。E2反应：1.E2机理的反应遵循二级动力学。2.卤代烷E2反应必须在碱性条件下进行。3两个消除基团必须处于反式共平面位置结论:顺式消除比反式消除难发生4.在E2反应中，不会有重排产物产生。E2反应机理与SN2反应机理比较:均有过渡态的生成，试剂进攻α碳就生成亲核取代产物，进攻β碳上的H就生成消去产物。卤代烷E2反应的规律：1大多数E2反应生成的产物都符合Saytzeff规则。E2反应时，含氢较少的β碳提供氢原子，生成取代基较多的烯烃一符合Saytzeff规则。当用空阻特别大的强碱时，反应的区域选择性会发生改变，生成反Saytzeff规则的产物一Hofmann消除产物。即大体积碱，优先进攻位阻小的位置上的氢CE2机理)。Hofmann取向:消除后优先生成双键上取代基少的烯烃，与Saytzeff规则相反。2.当卤代烷按Saytzeff规则进行消除可以得到不止一个立体异构体时，反应具有立体选择性，通常得E型烯烃。3.卤代环烷烃发生E2消除时，消除构象是优势构象，反应速率快。消除构象不是优势构象，反应速率慢。优势构象:能量最低的稳定构象。反应构象:参与反应的构象。消除构象:参与消除反应的构象。影响E1反应的因素：1.不同类型RX的相对反应活性与碳正离子稳定性顺序相同(与SN1反应相同)3°＞2°＞1°，苄基型＞烯丙型＞乙烯型。烯丙型、苄基型卤代烃消除后，一般都形成稳定的共扼烯烃，所以具有更高的消除活性。2.卤代烃的卤素不同，进行E1反应的活性不同(与SN1反应相同)，RIRBrRCIRF（主要从离去能力考虑）不管是E1机理，还是E2机理，卤原子总是要带着电子对离开中心碳原子，所以有较好离去基团的碘代烃，其消除活性最高。3.离去基团离去倾向越大，则反应活性越高;(与SN1反应相同)OH-影响E2反应的因素:1.离去基团越容易离去，则反应活性越高。(与SN2反应相同)RIRBrRCI。2.进攻试剂的碱性越强，则反应活性越高。3.反应底物卤代烃的活性为:3°＞2°1°(与SN2反应相反)4.溶剂的极性小，有利于E2原因一:在E2反应中，碱试剂是进攻β-H，这种进攻基本上不受α-C上所连基团的空间障碍影响。相反，a-C上所连烃基越多，β-H的数目就越多，它们被碱试剂进攻的机会就越多，反应就进攻的机会就越多，反应就进行得越快。可以说这是叔卤活性大于仲卤、伯卤的原因之一。原因二：不管对于E1还是E2，叔卤消除后，产物的双键碳上所连的烃基数目比仲卤、伯卤的多，所以叔卤消除所生成的烯烃相对稳定性较高。这是叔卤按E2机理消除活性较大的另一个原因。总的来说，不管是E1，还是E2机理，卤代烃的消除活性都是:叔卤＞仲卤＞伯卤。以上论述了，烷基结构和离去基团（卤原子）的影响。碱试剂的影响：只有E2反应与试剂的碱性强弱、浓度有关，高浓度的强碱试剂可提高E2反应的速度。E1反应不受试剂的碱性和浓度的直接影响。在E1历程中，一般不需要加碱，此时溶剂起着碱的作用。当增加额外的碱时，反应历程将由E1历程向E2历程转变。增加碱的浓度或用更强的碱则使反应历程向E1-E2-E1cb历程方向移动。溶剂的影响：El反应中C一X键的解离受溶剂的影响比较明显，极性较大的溶剂可提高El反应的速度(主要是稳定了碳正离子)，而对E2反应是不利的。E2是极性减弱的反应。Saytzeff规则的解释（E2反应的取向）：在E2反应中，碱试剂进攻β-H，卤素离开中心原子，经由过渡态生成烯烃。当有两种不同的β-H时，碱优先进攻哪个β-H，这主要决定于相应过渡态的稳定性，由于在过渡态已有部分双键形成，所以能够稳定烯烃产物的因素，也能够稳定相应的过渡态。双键上含有较多烷基的烯烃比较稳定，因此部分双键碳上连有较多烷基的过渡态也比较稳定。而这种过渡态正是由碱试剂进攻含氢较少的那个p一碳上的氢而形成的。通过该过渡态所需活化能较低，容易发生消除，因此所得到的主要产物是双键上连有较多烷基的烯烃，其择向符合Saytzeff规则。E1反应的取向：在E1反应中，第一步是C一X键断裂，生成碳正离子，产物的取向与这一步无关。决定产物取向的是第二步，即正碳离子甩掉哪个β-H。在第二步的过渡态中也形成了部分双键。与E2反应类似，当生成双键有较多烷基的烯烃时，相应过渡态比较稳定，活化能较低，能够优先进行反应。综上：无论是E2，还是E1反应，消除的取向都是由产物烯烃的稳定性(实际上是相应过渡态的稳定性)决定的。总是优先消除含H较少的β-C上的H，生成双键上烷基较多的烯烃，符合Saytzeff规律。影响消除反应的方向其它因素：1.其他稳定性因素：二个β一碳上所含H数一样多，显然应优先生成比较稳定的烯烃，可以使共轭烯烃。即共轭烯烃也是生成的一个取向。2.亲核试剂体积的影响：当用空阻特别大的强碱时，反应的区域选择性会发生改变，生成反Saytzeff规则的产物一Hofmann消除产物。消除反应的立体化学E2反应的立体化学：共平面问题。在E2反应中，C-L和C-H键逐渐断裂，π键逐渐形成，如果两个被消除的基团(L，H）和与它们相连的两个碳原子处于共平面关系(即L一C-C-H在同一平面上)，在形成过渡态时，二个变形的SP3杂化轨道可以尽多地交盖(形成部分π键)而降低能量，有利于消除反应的进行。反式消除与顺式消除问题：因此，对一定构型的反应物，按机理E2进行消除，在写消除产物时，必须把被消除的二个基团(L,H)放在反平行的位置(即反式共平面关系)，通常进行反式消除。环卤代烷问题：1.卤代环己烷进行E2消除，卤原子总是优先与反式β-H消除。在有两种β-H的情况下，优势产物再由Saytzeff规律决定,即得遵循反式共平面原则。此时消除基团必须在a键上才能满足反式共平面。..竞争反应：SN1与SN2的竞争：底物影响：3°2°1°SN1SN2注意：不是所有伯卤代烷都是按照SN2反应的，如在乙醇溶液中，新戊基溴主要是按照SN1反应的，由于αC上的叔丁基过大。亲核性的影响：亲核试剂越强越有利于SN2反应，反之有利于SN1反应。溶剂的影响：极性溶剂对SN1反应影响很大，有利于SN1反应，不利于SN2反应。离去基团：离去基团对SN1SN2都有利。试剂浓度增大对SN2反应有利。提高温度对SN1SN2都有利。E1和E2、E1cb的竞争：取决于C—X键与C—H键的相对断裂速度。如果C—X键断裂的速度远远大于C—H键的速度，就以E1反应为主，如果两者差别不大就以E2为主。实际上有碱存在时，多数卤代烃是以E2机理反应的，这也是卤代烃制备烯烃的主要途径。只有三级卤代烃，在极性溶剂中溶剂解时才能发生E1反应。底物结构：无论对于E1、E2底物对反应的影响均为3°＞2°＞1°离去基团：离去基团对他们都是有利的。碱性影响：进攻试剂的碱性越强，越浓对E2影响大。溶剂极性：极性增加对于E1、E1cb有利，弱极性对于E2有利。SN和E的竞争：卤代烷结构：所以说叔卤代烷主要生成消除产物。试剂的性质：试剂浓度的增加对SN2和E2都有利，但是碱的浓度对E反应是影响更大的因素，在高浓度碱的情况下，叔卤代烷的消除可认为是E2反应。强碱更利于E2。试剂的碱性小，但是亲核性强对SN2有利。一般认为PKa小于11的点电性物质，其共轭碱的碱性可认为较低，而亲核性较高，与仲卤代烷反应发生SN2反应。溶剂的极性：溶剂的极性对E2比对SN2反应更明显。在E2反应中负电荷的分散程度更大，使用弱极性的更有利于E2反应。常见的E2溶剂为醇类物质。偶极溶剂往往对SN2更有利，如二甲亚砜（DMSO）、N,N—二甲基甲酰胺（DMF），丙酮等。温度的影响：提高温度对S和E都有利，但是消除反应活化能较大，升高温度对消除反应更有利。一级卤代