脫鹵化氫反應是從有機化合物分了中脫掉鹵化氫的反應。在強堿作用下,鹵代烷脫去HX生成烯烴。在親核取代中同時伴隨著消除反應的發生,取代產物或消除產物那種為主,取決于鹵代的結構及堿的濃度。沒有堿存在時,主要得取代產物;隨著堿濃度增大,消去產物增多;叔鹵代烷比仲鹵代烷更容易發生消去。
消除機理
鹵代烷與強堿的醇溶液共熱,主要發生消除反應,脫去一份子鹵化氫生成烯烴。鹵代烷脫鹵化氫時,氫原子主要是從含氫較少的相鄰碳上脫去,這是一條經驗規律,稱為Saytzeff規則。
E1:對三級溴丁烷,反應分兩步進行,首先生成碳正離子,然后脫氫發生消除或加成生成取代產物。
反應的決速步驟是碳正離子的形成,反應速率僅與反應物濃度有關,v=k[RX],在動力學上為一級反應,是單分子反應,用E1表示。可見,E1和S都是通過同一個碳正離子進行反應,因此,在反應進程中,兩種反應相互競爭。通常高溫有利于消除,因為消除質子生成烯烴需要更高的活化能;但在極性溶劑及沒有強堿存在時,S反應快,且產物穩定,主要得取代產物。
E2:反應體系中若有堿存在,則隨著堿濃度的提高,消除產物增多。這說明反應速度不僅與鹵代烷的濃度有關,而且還與堿的濃度有關,在動力學上表現為二級反應,反應為雙分子過程,v=k[RX][RO],用E2表示。
E2反應中,堿進攻鹵代烴的β—H,同時溴帶著一對電子離開,形成一個過渡態,新鍵的形成和舊鍵的斷裂同時進行。反應速度取決于反應物濃度和堿的濃度。
比較S和E2,S反應中,堿進攻中心碳,試劑的親核性強,有利于進行S反應;而E2反應中,堿進攻β—H,β—H的數目多、酸性強、堿的堿性強有利于E2反應。因此,S和E2常常同時發生。
反應活性
考察不同鹵代烷R-X的反應速度,發現:對不同烷基的反應活性為,烯丙基鹵、叔鹵>仲鹵>伯鹵代烷;對不同鹵族元素的反應活性為,RI>RBr>RCl;對不同的β—H反應活性為:3H>2H>1H。因此,當分子中有不同β—H時,消除可能有多種取向,因而可得多種烯烴。
實驗證明,在多數情況下,主要生成熱力學較穩定的烯烴——取代基較多的Saytzeff烯烴,代烴消除主要生成取代基較少的Hofmann烯烴。堿的體積增大,空間位阻增大,試劑容易進攻空間位阻較小的β-H,Hofmann烯烴量增加。試劑的堿性增強,Hofmann烯烴的量增加。另外,鹵代烯烴消除時總是傾向于生成共軛二烯烴;鄰二鹵代物或偕二鹵代物在氫氧化鉀/醇溶液中加熱失去2分子HX生成炔;脂環烴鄰二鹵代物則主要生成共軛雙烯;乙烯鹵化物反應困難,需要更強的堿。
立體化學
在E2反應中,C-H鍵和C-X鍵逐漸斷裂,C=C雙鍵逐漸形成,碳由sp3→sp2,p軌道形成雙鍵,只有當兩個碳上的p軌道相互平行時才能最大程度地重疊成鍵。因此,消除時,H-C-C-X三個鍵四個原子必須在同一平面上,即H,X在C-C鍵的同側(順式消除syn)或異側(反式,反式-己二烯二酸消除,anti)。
大量實驗事實證明,多數E2反應為反式消除,因反式消除時,反應物構象為較穩定的交叉式構象。在某些化合物中,由于環的剛性,不能使兩個消除基團達到反式共平面關系,因此消除速度很慢。這時,順式消除反而有利。如下列兩個化合物,前者的消除速度是后者的100倍。
從空間關系看,前者可以發生順式消除,而后者反式消除的平面關系很差,反應速度慢。E1消除在立體化學上沒有空間定向性,可得順式和反式消除的混合物。
影響因素
烷基結構影響
對一級鹵代烷,S反應的速率很快,一般不發生E2反應。當β位上有活性氫如烯丙氫、基氫時,則會提高E2反應速率;β—C上有側鏈時由于空間位阻E2產物也會增加。二級鹵代烷有空間位阻,S反應速率很慢,有利于發生消除反應。三級鹵代烷一般傾向于發生單分子反應,主要得E1的消除產物。
對三級鹵代烷的溶劑解,往往得到S和E1的混合物。烷基的體積增大,有利于生成消除產物。隨著β—C取代基的增多,體積增大,空間位阻增大,化合物容易生成C,以減少空間張力。如發生S反應,空間張力又增大;而發生E1發應,生成烯烴,減少了空間張力。因此,取代基的空間體積越大,越有利于生成消除產物。
試劑的影響
一般來說,試劑的堿性強、濃度大、與質子的結合能力強,有利于E2;試劑體積大,不容易接近中心碳,容易與β-H接近,有利于E2;試劑的親核性強,易發生S反應。
I是強酸的共軛堿,是弱堿,且其體積大,親核性強,有利于取代,主要得取代產物;而CHCOO是弱酸的共軛堿,是強堿,有利于消除,主要得消除產物。
基團的影響
離去基團對E2、E1反應速率均有一定影響,基團越容易離去,反應速率越快。RI>RBr>RCl。離去基團只影響反應速率,不影響產物的比例。
參考資料 >