高等有机化学加成与消除反应课件

第第5章章 加成与消除反应加成与消除反应谢谢 斌斌 教授教授第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。定于反应条件。5.1 5.1 亲电加成亲电加成5.1.1 5.1.1 亲电加成反应机理亲电加成反应机理加成反应包括加成反应包括：催化氢化、亲电加成、亲核加成和自：催化氢化、亲电加成、亲核加成和自由基加成由基加成AdAdE E2 2历程历程1.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2.AdE2历程历程3.协同的协同的AdAdE E3 3历程历程立体化学为反式加成立体化学为反式加成2.AdE2历程3.协同的AdE3历程立体化学为反式加成4.鎓型盐鎓型盐AdAdE E2 2历程历程立体化学为反式加成立体化学为反式加成5.1.2 5.1.2 氢卤酸对烯烃的加成氢卤酸对烯烃的加成5.1.2.15.1.2.1加成方向加成方向不对称烯烃和不对称试剂加成时，存在加成方向问题不对称烯烃和不对称试剂加成时，存在加成方向问题。4.鎓型盐AdE2历程立体化学为反式加成5.1.2 氢卤酸对区域选择性反应区域选择性反应区域专一性反应区域专一性反应区域选择性区域选择性(regiosesletive):不对称烯与不对称试剂加不对称烯与不对称试剂加成以其中一种取向为主的反应成以其中一种取向为主的反应.区域专一性区域专一性(regiospecific):不对称烯与不对称试剂加不对称烯与不对称试剂加成只有一种取向的反应成只有一种取向的反应.马氏规则马氏规则:氢优先加到含氢较多的双键碳上氢优先加到含氢较多的双键碳上.区域选择性反应区域专一性反应区域选择性(regiosesle1 1比比2 2稳定稳定双双键键上上带带强强吸吸电电子子基基时时，不不对对称称烯烯与与不不对对称称试试剂剂的的加加成成，形形式式上上为为反反马马氏氏产产物物，实实质质上上仍仍然然符符合合马马氏氏加加成成规则规则.即即主主要要产产物物为为亲亲电电中中心心加加在在带带部部分分负负电电荷荷的的双双键键碳碳原原子上，以形成更稳定的碳正离子中间体。子上，以形成更稳定的碳正离子中间体。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，更稳定更稳定5.1.2.2 加成的立体化学加成的立体化学1 1对于一个简单的非共轭烯烃，反式加成为主，在动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力学上表现为三级反应.r=kHX2alkene相当不稳定相当不稳定更稳定5.1.2.2 加成的立体化学1对于一个简单的非共轭对向加成对向加成(anti add)对向加成(anti add)2 2如果双键与能稳定碳正离子的基团共轭时，发生如果双键与能稳定碳正离子的基团共轭时，发生AdAdE E2 2历程，顺式加成为主。历程，顺式加成为主。C-H键键的的形形成成不不需需要要另另一一HX的的协协同同进进攻攻，紧紧密密离离子子对对的的离离解解速速度度快快于于C-C 键键的的旋旋转转。反反应应以以顺顺式式加加成成为为主主。同向加成同向加成(synsyn add)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，3 3在具有亲核性溶剂中反应时，产物复杂化在具有亲核性溶剂中反应时，产物复杂化 4形成的形成的C+有重排条件时，可形成重排产物有重排条件时，可形成重排产物 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5.1.3 5.1.3 烯烃的酸催化水合反应烯烃的酸催化水合反应分两步反应的碳正离子历程。分两步反应的碳正离子历程。（1 1）得顺式和反式加成的混合产物，无立体选择性。）得顺式和反式加成的混合产物，无立体选择性。（2 2）有可能发生重排）有可能发生重排 5.1.3 烯烃的酸催化水合反应（2）有可能发生重排 只得到外式产物，无内式产物形成只得到外式产物，无内式产物形成 只得到外式产物，无内式产物形成 5.1.4卤素对烯烃的加成卤素对烯烃的加成1简简单单烯烯烃烃的的加加成成是是反反式式加加成成,中中间间体体为为卤卤桥桥正正离离子子(环状卤鎓离子环状卤鎓离子)环状卤鎓离子环状卤鎓离子反式加成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 证据证据证据证据5.1.4卤素对烯烃的加成1简单烯烃的加成是反式加成,中间苏式苏式dl 100%100%反式加成反式加成 赤式赤式meso100%100%反式加成反式加成溴鎓离子历程，溴鎓离子历程，立体选择性和立体专一性立体选择性和立体专一性 苏式dl 100%反式加成 赤式meso100%反式加成溴因因p p-共轭而稳定共轭而稳定 顺式加成反应的比例增加顺式加成反应的比例增加 2 2共轭烯烃的加成共轭烯烃的加成卤桥中间体可进一步形成碳正离子卤桥中间体可进一步形成碳正离子因p-共轭而稳定 顺式加成反应的比例增加 2共轭烯烃的加高等有机化学加成与消除反应课件氯代反应的立体选择性较低，顺式加成比例可以大于反式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加成 氯电负性大于溴，其原子半径小于溴，形成氯鎓离子氯电负性大于溴，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，有足够时间发生其寿命相对较长，有足够时间发生C-C键旋转。键旋转。主要主要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 氯电电子因素与空间因素均有利电子因素与空间因素均有利 2 2立体化学立体化学B-H对烯烃是顺式加成对烯烃是顺式加成5.1.5 硼氢化反应硼氢化反应1.1.加成方向加成方向:反马氏加成反马氏加成氢加在含氢较少的碳原子上氢加在含氢较少的碳原子上 电子因素与空间因素均有利 2立体化学B-H对烯烃是顺式加成反马氏的顺式加成（立体专一性和区域选择性）反马氏的顺式加成（立体专一性和区域选择性）硼氢化反应特点硼氢化反应特点:反马氏反马氏,顺式加成顺式加成,不发生重排不发生重排炔烃发生硼氢化炔烃发生硼氢化-氧化反应得到反马氏加成的醛。氧化反应得到反马氏加成的醛。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:5.1.6 5.1.6 溶剂汞化溶剂汞化醋醋酸酸汞汞在在亲亲核核性性溶溶剂剂中中与与烯烯烃烃加加成成，生生成成溶溶剂剂解解的的汞汞化化物物，后后经经NaBHNaBH4 4还还原原，获获得得醇醇、醚醚、酯酯等等产产物物，立立体体化学为马氏、反式加成化学为马氏、反式加成。炔烃水解得酮炔烃水解得酮炔烃水解得酮炔烃水解得酮5.1.6 溶剂汞化炔烃水解得酮高等有机化学加成与消除反应课件5.1.7 Normant5.1.7 Normant反应反应有机铜锂试剂与炔烃进行顺式加成的反应叫有机铜锂试剂与炔烃进行顺式加成的反应叫NormantNormant反应。反应。主要用来合成顺式烯烃主要用来合成顺式烯烃亲核加成，得亲核加成，得顺式烯基铜锂顺式烯基铜锂5.1.7 Normant反应主要用来合成顺式烯烃亲核加成，5.1.8 5.1.8 卡宾和乃春对烯烃的加成卡宾和乃春对烯烃的加成5.1.8.1 5.1.8.1 卡宾（卡宾（CarbeneCarbene）的加成）的加成卡宾又叫碳烯，它是价电子层中只有卡宾又叫碳烯，它是价电子层中只有6 6个电子的二价碳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。原子，它是一种亲电试剂，分为单线态和三线态。合成方法合成方法 5.1.8 卡宾和乃春对烯烃的加成合成方法 三线态卡宾为双自由基形式，为基态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。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顺式的一步协同反应 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Simmons-SmithSimmons-Smith试剂：试剂：Zn-CuZn-Cu偶加偶加CHCH2 2I I2 2的乙醚溶液，与的乙醚溶液，与烯烃反应得环丙烷衍生物。烯烃反应得环丙烷衍生物。Simmons-Smith试剂：Zn-Cu偶加CH2I2的乙5.1.8.2 5.1.8.2 乃春的加成乃春的加成又又叫叫氮氮烯烯，六六电电子子的的亲亲电电试试剂剂，存存在在三三线线态态和和单单线线态态，三线态为基态。由叠氮化合物加热或光照产生。三线态为基态。由叠氮化合物加热或光照产生。5.1.8.2 乃春的加成5.2 5.2 消除反应消除反应5.2.15.2.1概述概述 1.1.-消去反应消去反应又叫又叫1,1-1,1-消去反应消去反应,生成卡宾或氮宾中间体。生成卡宾或氮宾中间体。5.2 消除反应1.-消去反应2.-消去反应消去反应又叫又叫1,2-消去反应消去反应,形成不饱和键。形成不饱和键。3.-消除反应消除反应形成环丙烷衍生物。形成环丙烷衍生物。2.-消去反应-消除反应5.2.2 消去反应历程消去反应历程5.2.2.1 E1、E2、E1cb及及Ei历程历程1.E1历程历程与与SN1相似，一级反应，可发生重排。不同之处在快相似，一级反应，可发生重排。不同之处在快步骤中失去步骤中失去-H.v=k底物底物5.2.2 消去反应历程与SN1相似，一级反应，可发生重排二级反应，协同的一步反应，无中间体。二级反应，协同的一步反应，无中间体。-H酸性较强酸性较强一级反应一级反应一级反应一级反应,中间体碳负离子要求中间体碳负离子要求中间体碳负离子要求中间体碳负离子要求 碳上连有强吸电基碳上连有强吸电基碳上连有强吸电基碳上连有强吸电基.3.E2历程历程2.E1cb历程历程二级反应，协同的一步反应，无中间体。-H酸性较强一级反应,4.Ei历程（分子内的热消去反应）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、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。黄原酸酯和胺氧化物等，不需要酸碱催化。顺式消除顺式消除不需碱作催化剂不需碱作催化剂环状过渡态环状过渡态5.2.2.2 影响消去反应的因素影响消去反应的因素一、反应底物的结构一、反应底物的结构1.对对E1和和E2的影响的影响底物分子底物分子-碳上支链增多，消去反应的活性增大。碳上支链增多，消去反应的活性增大。4.Ei历程（分子内的热消去反应）顺式消除5.2.2.2 E1消消除除时时，-碳碳上上支支链链增增多多，碳碳正正离离子子更更稳稳定定；E2消消除，消除除，消除-H的机会增大，形成的烯烃更稳定；的机会增大，形成的烯烃更稳定；-碳有强吸电基时倾向于碳有强吸电基时倾向于E1cb。2.E和和SN的相互竞争的相互竞争（1）E2和和SN2的竞争的竞争按此顺序，亲核取代的位阻逐渐增大，进攻按此顺序，亲核取代的位阻逐渐增大，进攻-H-H的的机会逐渐增大，形成的产物烯烃的稳定性增加。机会逐渐增大，形成的产物烯烃的稳定性增加。E1消除时，-碳上支链增多，碳正离子更稳定；E2消除，消除（2）SN1和和E1-碳上的支链增多，碳上的支链增多，S SN N1 1的快步骤中的位阻增大，的快步骤中的位阻增大，有利于消除。有利于消除。二、进攻试剂二、进攻试剂1对对E1和和E2的影响的影响强碱有利于强碱有利于E2，弱碱或无碱的溶剂有利于，弱碱或无碱的溶剂有利于E1。2消除与取代的竞争消除与取代的竞争（1）强度）强度强碱有利于消除，弱碱强亲核试剂有利于取代反应。强碱有利于消除，弱碱强亲核试剂有利于取代反应。（2）SN1和E1-碳上的支链增多，SN1的快步骤中的位阻碱性碱性:C:C2 2H H5 5OO-CHCH3 3COOCOO-强强碱碱的的浓浓度度越越高高，有有利利于于双双分分子子反反应应，特特别别是是E2E2。低低浓浓度度碱碱或或不不用用碱碱时时，质质子子性性溶溶剂剂中中单单分分子子反反应应占占优优势势，特别是特别是S SN N1 1。(2)(2)进攻试剂体积进攻试剂体积大体积的强碱易发生大体积的强碱易发生E2E2，而不利于，而不利于S SN N2 2（空阻空阻）。）。碱性:C2H5O-CH3COO-强碱的浓度越高，有利于三、离去基三、离去基好好离离去去基基有有利利于于E1和和E2，不不好好的的离离去去基基如如F-、R4N+有利于有利于E1cb（强吸电性，使（强吸电性，使-H酸性增加）。酸性增加）。四、溶剂四、溶剂极极性性大大的的溶溶剂剂对对单单分分子子有有利利，对对双双分分子子不不利利，对对E2更不利更不利;极极性性小小的的溶溶剂剂对对双双分分子子反反应应有有利利，对对单单分分子子反反应应不不利利，对对E2更有利。更有利。三、离去基定定速速步步骤骤中中，单单分分子子反反应应会会出出现现电电荷荷产产生生或或集集中中，强强极极性溶剂有利于中间体的溶剂化而稳定，提高反应速率。性溶剂有利于中间体的溶剂化而稳定，提高反应速率。双双分分子子反反应应的的过过渡渡态态电电荷荷分分散散，E2E2比比S SN N2 2更更分分散散，极极性性小的溶剂有利于电荷分散。小的溶剂有利于电荷分散。定速步骤中，单分子反应会出现电荷产生或集中，强极性溶剂有利于五、反应温度五、反应温度 消去反应的过渡态有消去反应的过渡态有C-H拉长和断裂，活化能比取代拉长和断裂，活化能比取代反应的更大，升温有利于消除。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 消去反应的方向消去反应的方向5.2.3.1 Saytzeff规则规则 醇醇、卤卤烷烷、磺磺酸酸酯酯等等遵遵从从Saytzeff规规则则，得得热热力力学学稳定的烯烃（带较多烷基的烯烃）稳定的烯烃（带较多烷基的烯烃）五、反应温度25 9（SN1）5.2.3.2 Hofmann规则规则 季铵碱和锍碱等消除形成双键上连较少烷基的烯烃。季铵碱和锍碱等消除形成双键上连较少烷基的烯烃。5.2.3.2 Hofmann规则9.3.3 消去方向与历程的关系消去方向与历程的关系二、二、E1cb历程历程遵遵从从Hofmann规规则则。取取决决于于H的的酸酸性性和和C-的的稳稳定定性性,饱饱和和烷烷基基碳碳上上氢氢的的酸酸性性：1H2H3H(位位阻阻顺顺序序与与此此相相同同)。遵从遵从Saytzeff规则，形成热力学稳定的烯烃，规则，形成热力学稳定的烯烃，如果如果如果如果空阻过大时则遵从空阻过大时则遵从空阻过大时则遵从空阻过大时则遵从HofmannHofmann消除。消除。消除。消除。一、一、E1历程历程9.3.3 消去方向与历程的关系二、E1cb历程遵从Sayt三、三、E2历程历程1中性底物的中性底物的E2消除按消除按Saytzeff消除消除;2离去基带电荷的底物的离去基带电荷的底物的E2消除按消除按Hofmann消除，消除，这时这时-H的酸性不同的酸性不同。当当-C上连有强吸电基上连有强吸电基产物则遵从产物则遵从Saytzeff规则。规则。三、E2历程当-C上连有强吸电基产物则遵从SaytzeffH酸性大于酸性大于H 共轭稳定共轭稳定离去基越难离去时，越有利于按离去基越难离去时，越有利于按离去基越难离去时，越有利于按离去基越难离去时，越有利于按HofmannHofmann消除消除消除消除离去基离去基2-己己烯1-己己烯I81%19%Cl67%33%F30%69%Saytzeff烯烃烯烃H酸性大于H 共轭稳定离去基越难离去时，越有利于按Hofma碱的强度增大，有利于碱的强度增大，有利于C-形成，反应越倾向于形成，反应越倾向于E1cb 用用Me3CO-/Me3COH为碱时：为碱时：离去基离去基2-己烯己烯1-己烯己烯I-22%78%Cl-9%91%F2%97%Bredt规则：规则：消除时，不能在桥头碳原子上形成双键消除时，不能在桥头碳原子上形成双键（不能共平面不能共平面不能共平面不能共平面）HofmannHofmann烯烃烯烃烯烃烯烃碱的强度增大，有利于C-形成，反应越倾向于E1cb 用Me35.2.4消去反应的立体化学（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）反式消除（反式共轭消除、反叠消除）采用交叉式优势构象，有利于采用交叉式优势构象，有利于:（1）过渡态中变形）过渡态中变形sp3轨道的重叠轨道的重叠;（2）碱与离去基位阻最小）碱与离去基位阻最小,排斥力最小排斥力最小5.2.4消去反应的立体化学（E2）(1S,2R)(1S,2R)顺交叉式顺交叉式(1S,2R)顺交叉式对对甲甲苯苯磺磺酸酸-4-4-叔叔丁丁基基环环已已基基酯酯的的顺顺式式和和反反式式，分分别别在在C C2 2H H5 5ONa/CONa/C2 2H H5 5OH,70OH,70的的条条件件下下，顺顺顺顺式式式式发发发发生生生生E2,E2,E2,E2,而而而而反反反反式式式式只能缓慢的发生只能缓慢的发生只能缓慢的发生只能缓慢的发生E1E1E1E1。对甲苯磺酸-4-叔丁基环已基酯的顺式和反式，分别在C2H5O优势构象优势构象aa优势构象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。环不能翻转，否则有很大的排斥张力，反应速度缓慢。环不能翻转，否则有很大的排斥张力，反应速度缓慢。环不能翻转，否则有很大的排斥张力，反应速度缓慢。反式共平面氢反式共平面氢处于反式的氢在处于反式的氢在e键上，与键上，与OTs不在一个不在一个平面上，反应按平面上，反应按E1机理进行。机理进行。优势构象aa优势构象环不能翻转，否则有很大的排斥张力，反应速总之要求消除的原子或基团必须处于反叠共平面的关系总之要求消除的原子或基团必须处于反叠共平面的关系总之要求消除的原子或基团必须处于反叠共平面的关系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在环上发生E2E2消除时，被消除的两消除时，被消除的两个原子或基团必须均处于个原子或基团必须均处于a a键上。键上。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E5.2.4.2 顺式消除（较少）顺式消除（较少）不能达到反叠共平面的不能达到反叠共平面的E2只能按顺式消除只能按顺式消除由由于于环环的的刚刚性性，Me3N-C-C-H不不能能同同处处一一个个平平面面，但但Me3N-C-C-D共共平平面面，是是顺顺叠叠构构象象，所所以以进进行行顺顺式消除。式消除。5.2.4.2 顺式消除（较少）不能达到反叠共平面的E2只能Hb与与OTs为反叠共平面，但酸性不如为反叠共平面，但酸性不如HaEi(热消除热消除)一般为顺式消除，这是协同过程。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。顺式氢比反式氢活泼时，发生顺式消除。Hb与OTs为反叠共平面，但酸性不如HaEi(热消除)一般为（1 1）开链化合物的消去一般以反式消除为主，也存）开链化合物的消去一般以反式消除为主，也存在顺式消除。在顺式消除。（2 2）六元环化合物主要发生反式消除。）六元环化合物主要发生反式消除。（3 3）桥环化合物往往为顺式消除。）桥环化合物往往为顺式消除。（1）开链化合物的消去一般以反式消除为主，也存在顺式消除。5.2.5 5.2.5 邻二卤化物的消除邻二卤化物的消除5.2.5.1 5.2.5.1 KI存在下的消除存在下的消除消除得烯烃，二级反应。消除得烯烃，二级反应。v v=k k 邻二卤代物邻二卤代物II-二二级级或或三三级级邻邻二二卤卤化化物物的的消消除除的的立立体体化化学学为为反反式式消消除除，历程为历程为E2E2。5.2.5 邻二卤化物的消除一一级级邻邻二二卤卤代代物物与与碘碘离离子子发发生生顺顺式式消消除除，历历程程为为S SN N2-E22-E2历程历程。5.2.5.2 Zn5.2.5.2 Zn存在下的消除存在下的消除反式消除得烯烃，二级反应。反式消除得烯烃，二级反应。一级邻二卤代物与碘离子发生顺式消除，历程为SN2-E2历程。