有机化学中bs_有机化学各种基团

《现代物理有机化学》笔记 第十章（10）消除反应3 　　之前说了这章是用基础化学里的例子讲解前面说的热力学动力学方法怎么用，结果还是有人评价“邢大本里都有”，可能是时代不同了吧，邢大本现在有More O’Ferrall-Jencks图和动力学分析了？那还是尽快结束这一章吧，看来想知道机理背后实验证据的人不多，还是喜欢推机理的人多。记得之前有朋友说看不下去福山透主笔的《演習で学ぶ 有機反応機構》也是因为前“邢大本上就有，没意思”，所以又听到这话很感慨。人们总是对新的知识充满兴趣，又总觉得自己学完了大部分知识。 　　本节没有什么重点，基础有机化学里基本讲过。本书中的例子和March中的差不多，说明这块也没太多花样了，只要知道最常见的是扎伊采夫规则+反式消除产物就好了。要再深挖一些的话应该了解E2反应类似SN2，具有高度的反式消除选择性，而E1和E1cB选择性就没那么明显了。本章还可以回顾很多动力学的内容。 　　10.13.7 消除反应的区域化学 　　基本就是形成“多取代的烯烃产物”的扎伊采夫Saytzaff 消除规则，和形成“取代少的烯烃产物”霍夫曼Hofmann消除规则。 　　俄罗斯人扎伊采夫有个同门师兄弟叫马尔可夫尼科夫Markovnikov，两人为了区域选择性规则争论过很多年，扎伊采夫最有名的研究是有机锌化学（格氏试剂是后来受有机锌启发产生的），大浪淘沙，现在最有名的可能是扎伊采夫的徒弟Reformatsky瑞弗马斯基。[1] 　　一般底物消除时都遵守Saytzaff 规则。E1反应由于碳正离子中间体本身具有平面构型，一般遵守形成热力学稳定产物的Saytzaff 规则。但注意出现紧密离子对时可能导致动力学产物为主的情况。 　　在E2反应中倾向形成Saytzeff 消除产物的合理解释类似于上面E1的原因。当碱夺去质子和离去基团离去时，过渡态具有的双键特征的程度足够大，多取代双键形成这样过渡态的能垒较低。随着碱性增强，碱越活泼，脱质子的选择性越差。 　　在E1cB反应中，区域化学完全由要脱除质子的相对酸性决定。形成的双键定位于带有酸性最强质子的碳。 　　如果存在严重的位阻因素使得在取代多的碳上的氢难以接近， 符合Hofmann规则的产物将比较多。注意因为国内教材中很多在Hofmann消除时讲Hofmann规则，以至于有人以为只有Hofmann消除反应才会得到Hofmann规则产物，这当然不对。

　　处理大位阻的情况，有季铵盐和硫鎓离子的离去基团发生消除反应时优先进行符合Hofmann规则的消除反应。上面这种季铵盐消除就被称为Hofmann消除。

　　既然两个规则符合热力学动力学的区分，我们可以预见到离去基团效应、位阻效应和碱强度效应对反应选择性的影响。较强的碱增加Hofmann 消除 ，体积越大的离去基团产生越多的Hofmann 消除。

　　10.13.8 消除反应的立体化学轨道的考虑 　　说不定现在的基础有机教材里也有轨道考虑了，毕竟第一章第一节我就说过，在有机里讨论轨道，很酷。

　　先回顾一下丙烯的分子轨道模型。如果在一步反应中通过脱除和碳正离子相连的质子形成一个π 键，那么这个质子的C-H 键一定和起始的空的p 轨道相连。事实上，通过消除脱去质子涉及超共轭作用使得和空的p 轨道相连的氢酸性更强。

　　这就要引出一个消除中最常考的立体化学问题——反式Anti消除和顺式Syn消除，即机理和产物立体之间的关系，加成里讲过类似的问题。在一个完全溶剂平衡的碳正离子中，就所讨论的立体电子需要而言对消除反应的立体化学没有影响，因为要消除的质子能和空的π 轨道的上面或下面相连。但是，当优先从两个方向中的一个脱除一个质子时，将产生立体化学问题。 　　在E1反应中，当形成一个紧密离子对并且离去基团作为碱脱去质子时，将产生这一问题。如下面这个反应，赤式3 氘代2-丁基对甲苯磺酸酯在低离子化溶剂硝基甲烷中只通过顺式消除途径得到消除产物。此反应形成一个紧密离子对，对甲苯磺酸根作为碱脱除质子。但是，在较大离子化的溶剂里，如乙醇水溶液，所有的四种产物都可观察到。

　　E2反应总是受立体电子因素很大的影响。由于在E2 反应的过渡态中具有双键的特征，并且组成双键的p 轨道在产物中必须共平面，即要脱除的质子和离去基团也必须共平面。那就会出现下面两种构象：A反叠和B顺叠

　　两个原因导致上图的A反叠是主要过程：1，反叠式的构象能量低，占比大。2，如果要脱除质子的C-H 键的σ 键成键轨道和要断裂的C-X 键的σ*反键轨道排列成直线，反式构象使它们更好地重叠。 　　对于绝大多数体系发生反式消除，即使是产生较不稳定的异构体，而顺式消除则需要特定的条件。

　　上面这个反应Bs-=对溴苯磺基，形成的产物由于位阻其实是不稳定的，但由于“反式消除”的要求，还是以不稳定的产物为主。 　　看一个常考的例子：

　　这两个异构体消除时的产物可能是什么？哪一个更快？（后一问不常考） 　　这个例子其实用到了Curtin-Hammett 原理我们先回顾一下——“产物的比例是由导向不同产物的最高能垒的相对高度来决定，而不受任何(在最高能量过渡态之前形成的)异构体、构象异构体或中间体的相对能量明显的影响。”

　　写产物是一般的考试题，答案就在上面，应该都能做对，而第二问真的很难，答案是B快。 　　在A部分，最高浓度的构象是能发生消除反应的那个，然而它是最慢的反应。Curtin – Hammett原理说控制反应速率的是有关反应的相对能垒，而不是构象的相对数量。在B部分，生成产物的构象在溶液中非常少，但是它是高反应活性的构象。化合物具有某种程度的张力使得反应顺利进行。在氯和甲基之间存在相当大的1，3- 双直立键相互作用，并且这个张力通过发生消除反应得到释放。在A 部分，产物的构象中没有这种张力存在。一旦达到过渡态张力即得到释放，使反应顺利进行。 　　再次强调，不要用热力学数据思考动力学。 　　那什么情况下才会出现顺式消除产物呢？ 　　①顺叠排列能实现而反叠排列不能实现②碱的抗衡离子是碱和离去基团的离子对③强位阻因素有利于顺式消除

　　1，上面这个情况中反式的H夹角是120°，不是180°，所以有限顺式消除，我记得看过类似的题目，“强迫顺式消除”。

　　2，又比如下面这个反应中顺式消除产物占13%，这是非常少见的了，这个现象就来自离子对。

　　原因来自溶剂极性低以及强碱形成离子对。上面的反应中加入冠醚后顺式产物就没了。

　　3，位阻影响见下面这个例子，位阻越大，顺式产物越多，这种Hofmann消除能到得到各种“反常”的产物。

　　构像分析见下图。

　　最后看一看E1cB反应，如果能看懂上一节的E1、E2和E1cB竞争，下面的反应不难理解。

　　涉及E1cB 机理的消除反应可以通过顺式和反式两种途径进行。例如，上图所示的结构在和消除反应竞争时被发现和溶剂发生氘交换反应，由此揭示下图中的E1cB 反应过程。 　　当使用不同的叔丁氧基盐的碱
，顺/反消除的比例随M的“尺寸”增大依次降低M=Li+ >Na+ >K+ >（CH3）4N+ 。抗衡离子为锂离子有利于顺式消除，锂离子能强烈地与碱(叔丁氧基负离子)及离去的离去基团(甲氧基负离子)形成离子对。当离去基团离去时，碱从刚形成的双键的同面脱除质子。随着抗衡离子变得配位能力较差时，因为反应更类似于E2 反应，反式消除占主要。

　　10.13.9 脱水反应 　　来看几个具体的反应，这个“脱水反应”就是之前讨论的烯烃水合反应的逆反应。

　　上面给出的是一个酸催化脱水反应的标准电子推动。当形成共轭的二烯时，才发生典型的碱催化反应，这种细节就不多讨论了。一般的醇显示特殊酸催化脱水，因此反应机理从醇的可逆质子化开始。常用的酸例如盐酸、硫酸和磷酸。水作为离去基团产生一个碳正离子，依据Saytzeff 规则脱除质子。由于产生一个碳正离子，要注意重排。 　　前面讲过这类反应一般非常复杂，动力学和底物的结构相关。例如，大多数醇和溶剂交换氧的速率实际上比消除反应要快。叔丁醇和
标记的水交换天然丰度氧的速率比在硫酸中消除产生异丁烯要快30倍，但是对于1丁醇仅为3 倍。对于伯醇，水的交换通过SN2 过程在质子化的醇上发生。 　　甚至对于某些仲醇与水的交换也是通过SN2 过程发生，因为发现了立体化学的反转。例如，2 -丁醇在硫酸中消旋的速率是和溶剂交换氧的2倍。由于和溶剂交换氧的速率比脱质子产生烯烃要快，因此脱质子化一定是反应的决速步。 　　我们知道伯碳正离子是不稳定，所以可以推测伯醇经过SN2 过程和溶剂发生交换。如果正确，那么伯碳正离子是否是脱水反应的中间体？研究表明这取决于不同的情况。新戊醇确实形成伯碳正离子，而1-丙醇却不能形成。酸催化1-丙醇消除形成丙烯是通过一个协同E2反应发生。类似的，在酸中，一个仲醇消除是否经过E1 或E2 途径需依据具体的情况。

　　看一个生化中的例子：

　　上面这个过程中关键是Step2的顺乌头酸180°翻转过程。这个反应用一般的化学方法不容易高产率地完成，酶却可以做的，这个是三羧酸循环中第三阶段里柠檬酸在柠檬酸异构酶的作用下异构化生成异柠檬酸的过程：柠檬酸——顺乌头酸——异柠檬酸。 　　10.14 从自由基中间体消除 　　这种反应最常见的是高分子解聚反应，前面讲过的自由基歧化反应中也有类似过程。

　　在温和反应温度下从一种烷氧自由基发生消除是常见现象，使得这个反应经常和其他自由基反应发生竞争。该反应形成一个含羰基的产物，通常称为β-断裂反应。因为羰基双键的键强更高和氧自由基的不稳定性，所以它比形成烯烃的消除反应更加放热。当解离的自由基变得更加稳定时，消除反应的速率将更快。同样当两个或更多的R 基团参与消除反应的竞争，生成最稳定的自由基优先发生消除。酷基自由基也能容易发生消除反应，生成一氧化碳和一个碳自由基。

　　《绿色化学》中在高分子链中适当引入羰基可以促进高分子链的光/热降解，就是上面这个原理。 　　补充：1，讲到这个我就想到Boc-保护基，好多同学怕看文献怕《中级有机化学》就是因为那些保护基和缩写太多了，其实还好了。

　　比如氨基酸中常用的Fmoc-（9-芴基甲氧基羰基保护基，9-fluorenyl-methyl-oxycarbonyl），它的脱保护过程是在有机碱作用下发生E1cB的消除。 　　另外一个涉及消除反应的是Boc-（叔丁氧基羰基保护基，tert-butoxycarbonyl），这是一个常用的氨基保护基，它的脱保护是用三氟乙酸（TFA）/二氯甲烷，形成的产物都是气体，这是一个典型的E1反应。

　　缩醛保护基也很常见：

　　2，Julia-Bruylants重排[2]本反应在某学校的有机题库中，所以期末考试/考研题多次出现

　　叔醇形成碳正离子，亲核试剂进攻旁边的三环开环，重排，得到氯代烯烃的反应，是一个“E1消除”反应的变体。 　　3，Julia-Lythgoe Olefination烯基化[3]

　　前面的反应很正常，两步单电子转移后发生E1cB消除。

　　4，Kendall-Mattox反应 [4][5]

　　这个反应反常容易被当成E1cB，但注意这个结构接近Favoski重排的底物，真的在强碱下发生反应也不会是E1cB，而且本反应总体使用的碱并不强。上面这个是变体方法，最常见的模式如下图：

　　这个反应的机理算是比较绕的，但不难，知道这个腙化学反应是因为某校的课件里有。腙的反应一般有机教材讲到的不多，最常讲的应该是Wolff-Kishner还原，导致真有人看到-N=N-就觉得要变成氮气了，注意这个反应是消去，“近似氧化数”不怎么变化的。

　　上面这个使酮转化为共轭不饱和酮的Kendall-Mattox反应（多用于甾类化合物，先溴化再消去），有些过时了，来看一个比较新的 Nicolaou氧化[6]。

　　是一个最后讲到的从自由基中消除的反应，当然也有其他可能的机理。

　　5，最后看一道正经的高等有机化学题，答案在正文中就能找到。

　　上一节：https://zhuanlan.zhihu.com/p/ 　　下一节：加成消除反应https://zhuanlan.zhihu.com/p/