親核取代反應(yīng)-有機(jī)化學(xué)

第七章：極性加成和消除反應(yīng)

加成反應(yīng)和消除反應(yīng)，機(jī)理途徑相似，方向相反一、極性加成反應(yīng)涉及極性或離子性過(guò)渡態(tài)的加成反應(yīng)，稱(chēng)為極性加成反應(yīng)。第七章：極性加成和消除反應(yīng)加成反應(yīng)和消除反應(yīng)，機(jī)理途徑相似1（A），（B）稱(chēng)為AdE2（雙分子親電加成反應(yīng)）（A），（B）稱(chēng)為AdE2（雙分子親電加成反應(yīng)）2AdE3（三分子親電加成反應(yīng)）1．鹵化氫對(duì)烯的加成反應(yīng)a．馬爾科夫尼科夫規(guī)則如果一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的烯反應(yīng)結(jié)果得到兩種可能的加成產(chǎn)物，其中鹵原子連接到烯的取代最多的碳原子的產(chǎn)物占優(yōu)勢(shì)。（主要與碳正離子中間體的穩(wěn)定性有關(guān)）AdE3（三分子親電加成反應(yīng)）3當(dāng)供電子基團(tuán)與烯烴相連時(shí)：形成的碳正離子和鹵素的未共享電子對(duì)共軛，使體系能量降低。當(dāng)強(qiáng)吸電子的原子團(tuán)與不飽和碳原子相連時(shí)：

當(dāng)供電子基團(tuán)與烯烴相連時(shí)：4b．動(dòng)力學(xué)

鹵化氫對(duì)烯的加成反應(yīng)常常表現(xiàn)三級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，反應(yīng)速率方程是：v=k[烯烴][HX]2，分子E—Nu的E端和分子E—Nu的Nu端兩進(jìn)攻基團(tuán)分別從雙鍵的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)攻形成加成產(chǎn)物，叫做三分子親電加成，其立體化學(xué)特征也是反式加成：b．動(dòng)力學(xué)鹵化氫對(duì)烯的加成反應(yīng)常常表現(xiàn)三級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，反應(yīng)5實(shí)際上有效的三分子碰撞的情況是罕見(jiàn)的，有可能涉及烯與鹵化氫的絡(luò)合物與另一分子鹵化氫的相互作用：實(shí)際上有效的三分子碰撞的情況是罕見(jiàn)的，有可能涉及烯與鹵化氫的6c．立體化學(xué)

（I）非共軛烯和鹵化氫加成主要為反式加成。（II）

當(dāng)雙鍵和能使碳正離子中間體穩(wěn)定的原子團(tuán)共軛時(shí)，主要是順式加成“離子對(duì)”，碳正離子中心的穩(wěn)定性較高，碳?xì)滏I的形成不需要鹵離子的協(xié)同進(jìn)攻。由于中間體為碳正離子，因此易被具有親核性的溶劑捕獲，發(fā)生重排等作用。c．立體化學(xué)（I）非共軛烯和鹵化氫加成主要為反式加成。72．鹵素的加成反應(yīng)

(I)鹵素與烯烴的加成立體化學(xué)與鹵化氫與烯烴的加成類(lèi)似，孤立烯反式加成為主，共軛烯順式加成為主：

2．鹵素的加成反應(yīng)(I)鹵素與烯烴的加成立體化學(xué)與鹵化氫8反應(yīng)的第一步是極化了的Br2分子中δ+一端進(jìn)攻順CH3CH=CHCH3，生成環(huán)狀溴鎓離子中間體。這是慢的一步。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的溴鎓離子中間體阻止了C—C單鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二步Br-進(jìn)攻這兩個(gè)環(huán)碳原子的機(jī)會(huì)是均等的，所以生成的產(chǎn)物是外消旋體，且是快反應(yīng)。簡(jiǎn)單和非共軛烯烴被認(rèn)為易生成溴鎓離子，理論計(jì)算結(jié)果表明環(huán)狀溴鎓離子比相應(yīng)的開(kāi)鏈碳正離子能量約低40kJ/mol，穩(wěn)定得多因而易于生成。Cl2、Br2、I2，對(duì)多數(shù)烯烴的AdE2反應(yīng)可形成橋鎓離子中間體，但有的先經(jīng)過(guò)烯—鹵素絡(luò)合物，再生成橋鎓離子中間體，反應(yīng)的第一步是極化了的Br2分子中δ+一端進(jìn)攻順CH3CH9加成反應(yīng)的立體化學(xué)可以說(shuō)明橋鎓離子的存在。形成橋鎓離子以后，親核試劑需要從背面進(jìn)攻，因此會(huì)得到反式加成產(chǎn)物。橋式溴鎓離子的有力證明是在SbF5–SO2或SbF5–SO2ClF溶液中于–60℃得到穩(wěn)定的溴橋鎓離子鹽：橋式溴鎓離子并非都是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，Yetes提出溴原子和β–碳之間可以形成一個(gè)較弱的橋鍵，如當(dāng)β–碳上連有苯環(huán)時(shí)即是如此加成反應(yīng)的立體化學(xué)可以說(shuō)明橋鎓離子的存在。形成橋鎓離子以后，10（3）共軛烯烴的加成反應(yīng)共軛烯烴的親電加成也是朝形成相對(duì)穩(wěn)定的中間體方向進(jìn)行。第一步反應(yīng)，親電試劑的親電部分總是加到共軛鏈的一個(gè)末端碳上，而不會(huì)加到共軛鏈的中間碳上。如1,3-丁二烯與HCl反應(yīng)：第一步慢反應(yīng)是H+或HCl分子的δ+端進(jìn)攻共軛體系的末端碳原子生成（2），而不是進(jìn)攻共軛體系中間碳原子生成（3）。因?yàn)樘颊x子（2）比（3）穩(wěn)定容易生成。第二步快反應(yīng)是碳正離子（2）與Cl-離子加成生成1,2-加成產(chǎn)物（4）和1,4-加成產(chǎn)物5）（3）共軛烯烴的加成反應(yīng)共軛烯烴的親電加成也是朝形成相對(duì)穩(wěn)定111,3-丁二烯和溴的加成也是親電加成,第一步反應(yīng)先形成碳正離子(I),而不是碳正離子(II)。因?yàn)樘颊x子(I)中正電荷和雙鍵共軛，體系穩(wěn)定；而碳正離子(II)電荷定域，體系的能量高。第二步是Br-進(jìn)攻碳正離子，得到1,4-加成產(chǎn)物和1,2-加成產(chǎn)物，1,4-加成和1,2-加成產(chǎn)物何者占優(yōu)勢(shì)，取決于反應(yīng)物本身的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。1,3-丁二烯和溴的加成也是親電加成,第一步反應(yīng)先形成碳正離12如2-甲基-1,3-丁二烯和HBr加成時(shí)主要得到1,4-加成產(chǎn)物，因?yàn)?,4-加成產(chǎn)物有8個(gè)C-Hσ鍵與雙鍵發(fā)生超共軛，而1,2-加成產(chǎn)物沒(méi)有C-Hσ鍵和雙鍵共軛，因此生成1,4-加成產(chǎn)物。1-苯基-1,3-丁二烯和HBr的加成反應(yīng)主要為1,2-加成產(chǎn)物，該產(chǎn)物中苯環(huán)和雙鍵共軛，較其它形式的加成產(chǎn)物穩(wěn)定。如2-甲基-1,3-丁二烯和HBr加成時(shí)主要得到1,4-加成131,4-二苯基-1,3二丁烯和溴加成的產(chǎn)物主要也為1,2-加成產(chǎn)物，1,4-加成產(chǎn)物不超過(guò)4%。丁二烯和溴在不同溶劑中進(jìn)行加成反應(yīng)時(shí)，1,4-加成產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)隨溶劑極性增大而升高：溶劑反應(yīng)溫度(℃)1,4—加成產(chǎn)物（%）乙酸470氯仿–1563正已烷-15381,4-二苯基-1,3二丁烯和溴加成的產(chǎn)物主要也為1,2-加14原因是在正已烷等非極性溶劑中反應(yīng)時(shí)，溴沒(méi)有離解而以溴分子和共軛二烯的一個(gè)雙鍵加成，主要生成1,2-加成產(chǎn)物原因是在正已烷等非極性溶劑中反應(yīng)時(shí)，溴沒(méi)有離解而以溴分子和共15二、消除反應(yīng)

消除反應(yīng)（EliminationReaction）是指從有機(jī)分子中排除去一個(gè)小分子或兩個(gè)原子或基團(tuán)，生成雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)化合物的反應(yīng)。（1）α-消除（或1,1-消除）反應(yīng)（2）β-消除（或1,2-消除）反應(yīng)二、消除反應(yīng)消除反應(yīng)（EliminationReacti16（3）γ—消除（或1,3-消除）反應(yīng)另外還有1,4-消除和1,5-消除反應(yīng)等等。1,3-消除或1,4-消除可以看作是分子內(nèi)的取代反應(yīng)。重點(diǎn)討論β-消除反應(yīng)：（3）γ—消除（或1,3-消除）反應(yīng)17親核取代反應(yīng)-有機(jī)化學(xué)181.消除反應(yīng)的歷程

一雙分子消除反應(yīng)歷程(E2)在雙分子消除反應(yīng)中，堿進(jìn)攻反應(yīng)物的β—H的同時(shí)，離去基團(tuán)帶著一對(duì)電子從分子中離去，在兩個(gè)碳原子之間形成新的π鍵：

B:和消除的X不一定都是負(fù)離子，可以帶不同電荷：B:=H2O,N(CH3)3,CH3COO-,O2NC6H4O-,C6H5O-,HO-,-OC2H5,-NH2,CO32-X=-+NR3,-+PR3,-+SR2,-SO2R,-Cl,-Br,-I,-OSO2R,-OCOR1.消除反應(yīng)的歷程一雙分子消除反應(yīng)歷程(E2)19（a）E2歷程，動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為二級(jí)反應(yīng)，新鍵的生成和舊鍵的斷裂是協(xié)同進(jìn)行的，堿參與了過(guò)渡態(tài)的形成，反應(yīng)速率與反應(yīng)物和堿的濃度成正比。υ=κ[RX][B:-]在消除作用中當(dāng)離去的氫用氘代替時(shí)，有同位素效應(yīng)從3到8。(b）立體化學(xué)在E2消除中，過(guò)渡態(tài)所涉及五個(gè)原子（包括堿）必須位于同一平面（a）E2歷程，動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為二級(jí)反應(yīng)，新鍵的生成和舊鍵的斷裂20在（I）中H和L從相反方向消除稱(chēng)為反式消除或?qū)ο蛳?，而（II）稱(chēng)為順式消除或同向消除。一般情況下反式消除更有利，因?yàn)樵冢↖）中為對(duì)位交叉構(gòu)象，這種過(guò)渡態(tài)的能量比重疊式構(gòu)象（II）所需的能量小。例如：1-溴-1，2-二苯丙烷按E2歷程進(jìn)行消除反應(yīng)時(shí)，其中一對(duì)對(duì)映體只生成順式-1，2-二苯丙烯，在（I）中H和L從相反方向消除稱(chēng)為反式消除或?qū)ο蛳↖21均說(shuō)明鹵素與位于反式的氫原子發(fā)生消除反應(yīng)。又如氯代反丁烯二酸脫氯化氫的反應(yīng)速度比順式二酸快48倍，反式消除作用比順式消除作用占優(yōu)勢(shì)均說(shuō)明鹵素與位于反式的氫原子發(fā)生消除反應(yīng)。又如氯代反丁烯二酸22在六員環(huán)中相鄰的處于反式的原子或原子團(tuán)可為直立鍵或平伏鍵，離去原子團(tuán)的反式交叉構(gòu)象要求這兩個(gè)消除的原子或原子團(tuán)為直立鍵，即使這種構(gòu)象具有較高的能量。在六員環(huán)中相鄰的處于反式的原子或原子團(tuán)可為直立鍵或平伏鍵，離23在無(wú)環(huán)體系中，通常反式消除占優(yōu)勢(shì)，但在某些消除反應(yīng)中亦有順式消除反應(yīng)與之競(jìng)爭(zhēng)，影響順式與反式作用的因素：a．良好的離去原子團(tuán)如溴化物及對(duì)甲苯磺酸酯類(lèi)等，反式消除占優(yōu)勢(shì)，而差的離去原子團(tuán)如氟化物及三甲胺等順式消除占優(yōu)勢(shì)。b．堿的狀態(tài)（即以游離狀態(tài)或是以離子對(duì)存在）（I）弱電離的溶劑促進(jìn)不帶電荷的離去原子團(tuán)的順式消除，這是由于在非極性溶劑中堿很可能以離子對(duì)的形式存在。在無(wú)環(huán)體系中，通常反式消除占優(yōu)勢(shì)，但在某些消除反應(yīng)中亦有順式24在過(guò)渡態(tài)中離子對(duì)中的負(fù)離子作為堿，而正離子幫助離去原子團(tuán)的脫離，1,1,4,4-四甲基-7-溴環(huán)癸烷的消除作用。

在過(guò)渡態(tài)中離子對(duì)中的負(fù)離子作為堿，而正離子幫助離去原子團(tuán)的脫25（II）當(dāng)離去原子團(tuán)帶正電荷時(shí)，離子對(duì)增加反式消除的量

當(dāng)離去原子團(tuán)帶正電荷時(shí)，游離的堿進(jìn)攻離去原子團(tuán)，并處于有利進(jìn)攻順式β氫的位置發(fā)生順式消除，但離子對(duì)將減少這種進(jìn)攻。（III）堿的濃度強(qiáng)堿多半顯示高比例的順式消除作用，弱堿反式消除占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。（II）當(dāng)離去原子團(tuán)帶正電荷時(shí)，離子對(duì)增加反式消除的量26c.空間效應(yīng)

（I）無(wú)環(huán)化合物若分子為高度空間阻礙，則為五元環(huán)Ei歷程（II）雙鍵烯的順式、反式比例隨不同反應(yīng)條件變化，當(dāng)反應(yīng)物中離去基團(tuán)體積較大（如芳基磺酸酯）與體積較大的強(qiáng)堿起作用時(shí)，反應(yīng)物的空間因素決定了消除的方式：c.空間效應(yīng)（I）無(wú)環(huán)化合物若分子為高度空間阻礙，則為五27如果磺酸酯基由體積較小的鹵素代替，空間因素不占主導(dǎo)的話，另一種更穩(wěn)定的反式產(chǎn)物為主要產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)證明，消除反應(yīng)中順式消除和反式消除的比例與反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)、離去基團(tuán)、試劑的堿性和體積，溶劑等都有關(guān)系。如果磺酸酯基由體積較小的鹵素代替，空間因素不占主導(dǎo)的話，另一28(二)單分子消除反應(yīng)歷程（E1）

一般地講，易于離解為碳正離子的化合物，消除反應(yīng)按E1歷程進(jìn)行E1反應(yīng)與SN1反應(yīng)都是分兩步進(jìn)行的，中間體都是碳正離子。因此兩者常為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。有利于E1及與之競(jìng)爭(zhēng)的SN1是促進(jìn)電離作用的因素：1）使碳正離子穩(wěn)定的給電子基團(tuán)，2）好的離去基團(tuán)，3）電離能力強(qiáng)的高介電常數(shù)極性溶劑。E1機(jī)理的速度決定步驟中，堿不起作用，但對(duì)碳正離子的前途即E1與SN1的競(jìng)爭(zhēng)卻起著至關(guān)重要的作用，較強(qiáng)的堿有利于E1反應(yīng)。(二)單分子消除反應(yīng)歷程（E1）一般地講，易于離解為碳正29(三)E1cb歷程

E1cb來(lái)源于碳負(fù)離子中間體為被作用物的共軛堿（conjugatebase）在β碳上連有—NO2、C=O、–CN等吸電子基團(tuán)時(shí)，有利于按E1cb歷程進(jìn)行反應(yīng)，因?yàn)槲娮拥脑訄F(tuán)位于β碳原子上時(shí)，有利于質(zhì)子轉(zhuǎn)移給堿，并使形成的碳負(fù)離子穩(wěn)定。(三)E1cb歷程30親核取代反應(yīng)-有機(jī)化學(xué)312.消除反應(yīng)的定向

a)

E1歷程中決定消除反應(yīng)的方向，主要是生成的烯類(lèi)的穩(wěn)定性，在此情況下遵從查依采夫定則，形成在不飽和碳原子上有烴基最多的烯烴（超共軛來(lái)解釋?zhuān)?.消除反應(yīng)的定向32當(dāng)不遵從查依采夫定則的產(chǎn)物由于空間效應(yīng)更為穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)不遵從查依采夫定則。由于甲基叔丁基處于順式位置，空間效應(yīng)較大。當(dāng)不遵從查依采夫定則的產(chǎn)物由于空間效應(yīng)更為穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)不遵從33b）E2歷程

（I）當(dāng)被消除的原子或原子團(tuán)帶正電荷時(shí)（+NR3，+SR2），β氫原子的相對(duì)酸性決定消除反應(yīng)的方向，遵從霍夫曼定則b）E2歷程（I）當(dāng)被消除的原子或原子團(tuán)帶正電荷時(shí)（+NR34（II）如果β`碳原子上連有強(qiáng)有力的吸電子原子團(tuán)，如-COR，-NO2，-SO2R，-CN，-C6H5等，遵從查依采夫定則（III）被消除的原子或原子團(tuán)為電中性時(shí)，遵從查依采夫定則（II）如果β`碳原子上連有強(qiáng)有力的吸電子原子團(tuán)，如-CO35（IV）難離去的原子團(tuán)有利于按霍夫曼定則進(jìn)行

此外，不管是E1或E2，形成的雙鍵不能位于橋頭碳原子上（除非環(huán)很大）（IV）難離去的原子團(tuán)有利于按霍夫曼定則進(jìn)行36如果發(fā)生消除反應(yīng)的化合物的分子中已有雙鍵（C=C或C=O）存在，并且和新形成的雙鍵共軛，此種共軛產(chǎn)物占優(yōu)勢(shì)。如果發(fā)生消除反應(yīng)的化合物的分子中已有雙鍵（C=C或C=O）存373.影響消除反應(yīng)的因素

A.

化合物結(jié)構(gòu)的影響（a）對(duì)反應(yīng)活性的影響（I）原子團(tuán)Ar及C=C位于α或β碳原子使E1和E2的速度增加（II)β碳原子上有Br,Cl,Ts,NO2,CN,SR等吸電子的原子或原子團(tuán)時(shí)，使E2反應(yīng)速度增加，當(dāng)其位于α位時(shí)影響較小。3.影響消除反應(yīng)的因素A.化合物結(jié)構(gòu)的影響38（b）對(duì)歷程的影響

α烷基及α芳基增加E1消除的量，β烷基亦使歷程向E1歷程轉(zhuǎn)變，β烷基減低了β氫的酸性；位于β位的所有吸電子的原子和原子團(tuán)均使歷程向E1cb轉(zhuǎn)變。（c）對(duì)消除反應(yīng)和取代反應(yīng)比例的影響在一級(jí)和二級(jí)反應(yīng)條件下，α碳原子增加分支，則消除比例增加，但取代產(chǎn)物仍占優(yōu)勢(shì)，增加β碳原子的分支，亦增加E2消除的比例。

（b）對(duì)歷程的影響α烷基及α芳基增加E1消除的量，β烷基亦39B.進(jìn)攻試劑的影響

(a)對(duì)E1和E2比例的影響增加外來(lái)的堿時(shí)，反應(yīng)歷程由E1轉(zhuǎn)變?yōu)镋2（即增加進(jìn)攻試劑的濃度，反應(yīng)歷程由E1轉(zhuǎn)變?yōu)镋2），堿性增強(qiáng)亦使反應(yīng)由E1向E2轉(zhuǎn)變。(b)對(duì)消除反應(yīng)和取代反應(yīng)比例的影響強(qiáng)堿不僅有利于消除反應(yīng)，而且使反應(yīng)中的E2歷程占優(yōu)勢(shì)；用高濃度的強(qiáng)堿，在非離子溶劑中進(jìn)攻反應(yīng)，則雙分子反應(yīng)歷程占優(yōu)勢(shì)，并且E2比SN2占優(yōu)勢(shì)。堿濃度低或沒(méi)有堿時(shí)，在離子溶劑中，單分子反應(yīng)歷程占優(yōu)勢(shì)

B.進(jìn)攻試劑的影響(a)對(duì)E1和E2比例的影響40C.離去原子團(tuán)的影響

(a)對(duì)E1、E2和E1cb比例的影響好的離去基團(tuán)有利于E1歷程，也有利于E2歷程；較差的離去原子團(tuán)和荷正電荷的原子團(tuán)使反應(yīng)趨向于按E1cb歷程進(jìn)行反應(yīng)。(b)對(duì)消除作用和取代作用的影響對(duì)一級(jí)反應(yīng)，離去原子團(tuán)對(duì)消除和取代作用的競(jìng)爭(zhēng)無(wú)影響二級(jí)反應(yīng)，離去原子團(tuán)的影響也不大;但帶正電荷的離去原子團(tuán)消除作用比例增加

C.離去原子團(tuán)的影響(a)對(duì)E1、E2和E1cb比例的影41D．溶劑的影響與親核取代比較E1與SN1有相同的速度控制步驟，溶劑化效應(yīng)相似根據(jù)Hughes-Ingold規(guī)則，在E2和SN2反應(yīng)中電荷分散程度大于E1和SN1反應(yīng)，增加溶劑的極性通常對(duì)E1和SN1歷程比E2和SN2歷程更為有利，因此改變?nèi)軇┎粌H影響反應(yīng)速度而且也影響反應(yīng)歷程。

D．溶劑的影響與親核取代比較42同時(shí)，溶劑的極性增大，SN2和E2均減速，但E2反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)中電荷分散比SN2中更大，因此，當(dāng)溶劑的極性增大時(shí)，E2消除反應(yīng)比SN2取代反應(yīng)的反應(yīng)速度減小得更多，所以堿的水溶液有利于SN2歷程，形成取代產(chǎn)物；堿的醇溶液則有利于E2歷程，形成烯。同時(shí)，溶劑的極性增大，SN2和E2均減速，但E2反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)43在E1反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)中電荷分散程度比在SN1的過(guò)渡態(tài)中大，因此：（1）

極性大的溶劑代替極性小的溶劑，使消除反應(yīng)歷程由E2轉(zhuǎn)向E1。（2）

在單分子反應(yīng)歷程，E1和SN