高等有机化学加成与消除反应课件.ppt

1、谢谢 斌斌 教授教授加成与消除反应是方向相反的两个过程，一般说来，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。态决定于反应条件。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E EY YE E+ + +Y Y- -AdAdE E2 2历程历程1.E+C = CslowEC C+Y-CCEYCEC+Y Y- -2.CCEYAdE2历程历程

2、C=CEYslowYYEEC=C+E-YCCYE3.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4.CCEY-CCEY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YEC=Cslow5.1.2 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。RCH=CH2+XYRCHCH2YX+RCHCH2YXRCHCH2XY主要次要100%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

3、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. . R2C=CHR+ HXslowR2C+CH2RX-R2CXCH2R1R2CHC+HRX-2slowR2CH CHRX1 1比比2 2稳定稳定双键上带强吸电子基时，不对称烯与不对称试剂的加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

4、上为反马氏产物，实质上仍然符合马氏加成成，形式上为反马氏产物，实质上仍然符合马氏加成规则规则. .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。子上，以形成更稳定的碳正离子中间体。 Me3N CH=CH2Me3NCH2CH2H+H+I-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CC+HXfastCCHXCCHXHXsl

5、owCCXH+HX对向加成对向加成(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键的形成不需要另一键的形成不需要另一HX的协同进攻，紧密离子的协同进攻，紧密离子对的离解速度快于对的离解速度快于C-C 键的旋转。键的旋转。反应以顺式加成反应以顺式加成为主为主。 ArCHCHR+ HXcontact ion-pair紧密离子对同向加成同向加成( (synsyn add) add)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 PhCH=C

6、H2HClHOAcPhCHCH3Cl+OAcPhCHCH34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 Me3CCH=CH2HClHOAcMeMeCMeC+HMeCl-OAc-Me3CCHClCH3Me3CCHCH3OAcMe2C+CHMe2Cl-OAc-Me2CClCHMe2Me2CCHMe2OAc5.1.3 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。H2OCCR2R3R1HH2OD+CCR2R3R1HH2

7、ODCCR2R3R1DH+CCR2R3R1DH-H+CCR2R3R1HHOD+CCR2R3R1HHOD（2 2）有可能发生重排）有可能发生重排 CH2H+CH3H2OOH2-H+OH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简单烯烃的加成是反式加成简单烯烃的加成是反式加成,中间体为卤桥正离中间体为卤桥正离子子(环状卤鎓离子环状卤鎓离子)CC+ X2CCXX-CCXX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 CH3CH3BrCH3H3CB

8、rSbF6SO2, 60CBrH3CCH3CH3H2CSbBrF6-1HNMR为单峰CCCH3HCH3HBr2HOAcCCBrBrCH3HCH3H+CCBrBrCH3HHCH3CCHCH3CH3HBr2HOAc苏式苏式dl 100%100%反式加成反式加成 CCBrBrHCH3CH3HCCBrBrCH3HHCH3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 CCX+CCCCCXC+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

9、步形成碳正离子卤桥中间体可进一步形成碳正离子CCCH3HPhHBr2CCCH3PhBrBrHH+CCBrCH3HHPhBrCCPhBrHBrCH3H+CCPhHBrCH3HBr+苏式dl(73%)赤式dl(27%)反式加成顺式加成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

10、旋转。 CCMeHPhHCl2顺式68%+ 反式32%Cl2CHCl3ClClHH主要主要-+H B+-H XCH3(CH2)3CH=CH2+ (C5H11)2BHCH3(CH2)3CH CH2HB(C5H11)2+ CH3(CH2)3CHCH3B(C5H11)299%1%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C CR+ B HCCRBH(CCRHB)TSCCHRBsyn additions5.1.5 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 C

11、H3+BHCH3HHBHCH3HB+H2O2OH-CH3OHHHCH3OHHH+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。RCCH+ B2H6CCRHH3BH2O2H2ORCH2CHO(1)Br2(2)NaOCH3CCRHHBr5.1.6 5.1.6 溶剂汞化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，后经化

12、物，后经NaBHNaBH4 4还原，获得醇、醚、酯等产物，还原，获得醇、醚、酯等产物，立体立体化学为马氏、反式加成化学为马氏、反式加成。 RCH=CH2 + Hg2+CHCH2RHg2+H2O-H+RHCOHCH2Hg+NaBH4OH-RHCOHCH3ROH-H+RHCORCH2Hg+NaBH4OH-RHCORCH3RCOOH-H+RHCOCORCH2Hg+NaBH4OH-RHCOCORCH35.1.7 5.1.7 NormantNormant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

13、合成顺式烯烃R2CuLi +HCCHR2CuLi2E+RE亲核加成，得亲核加成，得顺式烯基铜锂顺式烯基铜锂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。碳原子，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 CHCl3+ t-BuOKCCl2 + t-BuOH + KClCH2N2hvorCH2 + N2CH2=C=OhvorCH2 + C

14、OCHHsp2杂化轨道CHHsp杂化p轨道sp2杂化单线态卡宾三线态卡宾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。 C=CEtHHEt+CClCCCHEtHEtClCl顺式的一步协同反应顺式的一步协同反应 CCH3HCCH3HCCCH3HHCH3CH2(三线态）MeHMeHMeHHMe+23%77%双自由基CCHHCH3CH3H2CCH2(三线态）mesodlSimmons-SmithSimmons-Smith试剂：试剂：Zn-CuZn-Cu偶加偶加CHCH2 2I I2 2的乙醚溶液，与的

15、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。 CH2I2Zn/Cu+ ZnI25.1.8.2 5.1.8.2 乃春的加成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，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。三线态为基态。由叠氮化合物加热或光照产生。hvor+ N2CEtOON3CEtOONCEtOONCCMeEtHH+CCMeEtHHNCOOEt+CCMeHHEtNCOOEtCEtOONCCMeEtHH+CCMeEtHHNCOOEt5.2 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

16、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。R2C=C=OCO或 hvR2CCHCl3NaOHCCl2NaClH2ORNOSO2ArH B-BHRN ArSO3-RNN2或 hvNN-RN2. -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。RCH2CH2XOH-RCH=CH2 X-H2O3. -消除反应消除反应形成环丙烷衍生物。形成环丙烷衍生物。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RCH2CLRR慢RCH2C+RR L-与与SN1

17、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RCH2C+HRR快RCH=CRRH+RCHCH2BH L-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。O2NCHCHRHLB-O2NCHCHRLO2NCH=CHRL-快慢-H酸性较强酸性较强3. E2历程历程RCHHCH2LB-(RCHCH2L)HB-2 . E1cb历程历程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

18、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。CCHOCRO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。CCHOOORC=CHOCORE1消除时，消除时， -碳上支链增多，碳正离子更稳定；碳上支链增多，碳正离子更稳定；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

19、。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CXCHZ碱E2亲核试剂SN21RX2 RX3 RXE2比例增加，SN2比例降低（2）SN1和和E1CCHZSN1E1二、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。CH3COO-(CH3)2CHBrCH3COOCH(CH3)2Br-100%C2H5O-(CH3)2CHBrCH3CH2OCH(CH3)2

20、CH2=CHCH321%79%强碱的浓度越高，有利于双分子反应，特别是强碱的浓度越高，有利于双分子反应，特别是E2E2。低。低浓度碱或不用碱时，质子性溶剂中单分子反应占优势，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）。）。CH3(CH2)15CH2CH2Br回流CH3(CH2)15CH=CH2CH3(CH2)15CH2CH2ORRO-, ROHCH3O-, CH3OH1%(E2)99%(SN2)Me3CO-, Me3COH85

21、%(E2)15%(SN2)三、离去基三、离去基好离去基有利于好离去基有利于E1和和E2，不好的离去基如，不好的离去基如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、溶剂极性大的溶剂对单分子有利，对双分子不利，对极性大的溶剂对单分子有利，对双分子不利，对E2更不利更不利;极性小的溶剂对双分子反应有利，对单分子反应不利，极性小的溶剂对双分子反应有利，对单分子反应不利，对对E2更有利。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。性溶剂有利

22、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，双分子反应的过渡态电荷分散，E2E2比比S SN N2 2更分散，极性更分散，极性小的溶剂有利于电荷分散。小的溶剂有利于电荷分散。BCX-CCXHBRXNaOH/H2O醇RXNaOH/EtOH烯五、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。(CH3)CBrC2H5ONaC2H5OHMe3COEtCH2=CMe225 9（SN1） 91（E1+E2）55 0% 100%(E1+E2)5.2.3 消去反应的方

23、向消去反应的方向5.2.3.1 Saytzeff规则规则 醇、卤烷、磺酸酯等遵从醇、卤烷、磺酸酯等遵从Saytzeff规则，得热力学规则，得热力学稳定的烯烃（带较多烷基的烯烃）稳定的烯烃（带较多烷基的烯烃）C2H5ONaCH3CH=CCH3CH3CH3CH2C=CH2CH3CH3CH2CCH3BrCH371%29%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。(CH3CH2CH2)2N(CH2CH3)2OH-CH2=CH2CH3CH=CH296%4%CH2CH3CHCH2CH3CH CHCH3CH3CH2CH

24、CH3NMe3OH-(主)9.3.3 消去方向与历程的关系消去方向与历程的关系(CH3)3CCH2CCH3ClCH3NaOHH2O(CH3)3CCH2CCH2CH3CH3CCH3CH3CH=CMe281%19%二、二、E1cb历程历程遵从遵从Hofmann规则。取决于规则。取决于H的酸性和的酸性和C-的稳定性的稳定性,饱饱和烷基碳上氢的酸性：和烷基碳上氢的酸性：1H2H3H(位阻顺序与位阻顺序与此相同此相同)。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，一、一、E1历程历程CH2CCHHXRRRB-CHCCHHXRRRCHCH CHRRR(主要)三、三、E2

25、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。RCH2CHCH3N+R3OH-当当-C上连有强吸电基上连有强吸电基RCOPhCNNO2SO2R产物则遵从产物则遵从Saytzeff规则。规则。酸性-H -H 易消除 HRCCH2CHCH3ONMe3OH-RCCH CHCH3OH酸性大于酸性大于H 共轭稳定共轭稳定CH3(CH2)3CHCH3XCH3O-CH3(CH3)2CHCHCH31已烯CH3OH离去基离去基2-己烯己烯1-己烯己烯I81%19%Cl6

26、7%33%F30%69%Saytzeff烯烃烯烃碱的强度增大，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（）OHH+H+5.2.4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

27、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HR3R1R4R2LB-R3R4LHR2R1B-L-BHR3R4R2R1CCR4R3R1R2HPhHPhBrBrNaOHEtOHCCPhBrPhHPhHBrHPhBr顺交叉式顺交叉式OH-Br-H2OPhHPhBrHPhPhHBrBrPhHHPhBrBr(1R,2R)(1S,2S)NaOHEtOHCCPhHBrPhHBrPhHBrPhHPhBrPhBrH+(1R,2R)(1S,2S)NaOHEtOHCCPhHBrPh对甲苯磺酸对甲苯磺酸-4-4-叔丁基环已基酯的顺式和反式，分别叔丁基环已基酯的顺式和反

28、式，分别在在C C2 2H H5 5ONa/CONa/C2 2H H5 5OH,70OH,70的条件下，的条件下，。优势构象优势构象t-BuHOTsHHHEtO-E2tBuaat-BuHOTsHHHe优势构象优势构象E1t-BuH+tBu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。6C2H5HHCH3XH12aae(1S,2S,6S)OH-NaOHEtOHC2H5HHCH3321(3S)(1S,2S,6R)C2H5HCH3XHHaaNaOHEtOHaC2H5HCH3HC2H5HHCH3在环上发生

29、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。5.2.4.2 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HHDHNMe3HOH-DH无顺式消除由于环的刚性，由于环的刚性，Me3N-C-C-H不能同处一个平面，不能同处一个平面，但但Me3N-C-C-D共平面共平面，是顺叠构象，所以进行顺是顺叠构象，所以进行顺式消除。式消除。HbHA rHaHO T sHb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HaArArt-BuOKt-BuOH89%10%Ei(

30、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。HN(CH3)2HHPhHOPhPhH85%15%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。HN(CH3)2PhHHHOPhHPh2%98%（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。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- - 二级或三级邻二卤化物的消除的立体化学为反式消除，二级或三级邻二卤化物的消除的立体化学为反式消除，历程为历程为E2E2。一级邻二卤代物与碘离子发生一级邻二卤代物与碘离子发生顺式消除，历程为顺式消除，历程为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。BrBrH3CHHCH3ZnE2H3CHCH3H+ ZnBr2