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1、高等有机化学反应机理,主讲教师: 刘培念,1 、共振论,1.1.形式电荷 基本元素的形式电荷如图表1:,电正性、缺电子性、亲电性的区别,1、电正性或电负性是元素本身的性质，与元素的成键方式没有关系。吸引电子能力的大小确定的。 2、缺电子性是指原子的价电子没有达到8电子结构时的性质。 3、亲电性: 原子有空轨道并且能量低。（可以与亲核试剂反应） 电正性、缺电子、亲电性、形式电荷等性质都是互相独立的 与化学反应性没有必然的关系！ 例如： CH3+， NH4+ （形式电荷都是+1价的，C是缺电子的而N不是） .CH3， BF3 （都具有缺电子性，但都没有形式电荷） B具有电正性，N具有电负性，BH4
2、-，NH4+ 都是富电子原子。 CH3+，CH3I，H2C=O （C 都具有亲电性，但只有CH3+ 中的C 是缺电子原子） MeO+=CH2 中的O 原子具有形式正电荷，但C原子具有亲电性,共振论,1.2共振论,1 、共振论：当一个分子，离子或自由基按价键规则可以写出一个以上的Lewis结构式时，共轭分子的真实结构就是由这些可能的经典结构式的杂化体。这样的Lewis结构式称为共振式，相应的结构可看作是共振结构。（不同的共振式像是字母，和在一起才是一个单词）,2.共振式的书写规则：,（1）共振式间用 连接。,（2）书写共振式时，只允许电子移动，而原子核的位置不动。,（3）所有共振式，都必须符合L
3、ewis结构。,（不等价的共振结构对杂化体的贡献是不同的，越稳定的共振结构对杂化体的贡献越大）,3.共振结构的稳定性规则,（2）所有原子都具有完整价电子层的共振结构比其中有原子具有不完整价电子层的共振结构稳定。如 果共振结构中具有缺电子原子，那这个缺电子原子应该是电正性原子（C，B）， 而不应该是电 负性原子（N，O，卤素）。,（1）第一周期元素（B，C，N，O）的价电子数绝不可以超过8。,（3）不带电荷的的共振结构比具有分离电荷的共振结构稳定 。,（4）对于带有电荷的共振结构来说，负电荷处在电负性强的原子上，正电荷处在电负性弱 的原子上更稳定。,（以上规则的重要性依次降低）,请判断那个共振结
4、构更稳定：,（规则2 规则4）,（规则4）,（规则2 ，规则3）,4. 如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,如何画共振结构？,请判断哪一个共振结构稳定？,两个特例,有机反应的进行就是化学键的断裂和再重新形成的过程。因此，写反应机理时，首先要确定是那个化学键断裂了，是那个化学键形成了。,化学键的断裂与形成,判断方法：(1). 配平反应方程式 (2). 对反应物和产物的所有原子（H除外） 按顺序进行编号！ (3). 写出断裂和形成的键。,注意：化学键的数目是指键的数目，因为只有键 参与化学键
5、的断裂和形成，键不参与。,练习,Tetrahedron Letters, 1995, 36, 4539-4542.,练习,有机反应机理的类型,1. 离子反应 2. 自由基反应 3. 周环反应 4. 金属催化反应,第二章 极性反应的基础知识,极性反应（Polar Reaction）,在极性反应中，亲核试剂与亲电试剂发生反应。 大部分极性反应是在酸性或碱性条件下进行的。,1. 亲核试剂（Nucleophiles）,2. 亲电试剂（Electrophiles）,亲核试剂是具有能量较高的电子的化合物，能够形成新的化合键。具有亲核性的原子可以是中性的，也可以带有负电荷。,亲电试剂含有能够形成新的化合键的
6、能量较低的空电子轨道。亲电试剂可以是中性的，也可以是电正性的。,亲核性,.在同族元素中，周期高的原子亲核性大，碱性则降低。,亲核性：I- Br- Cl- F-； RS- RO-,大多数情况下，碱性增加则亲核性增加。,碱性：I- Br- Cl- F-； RS- RO-,以下是一些特例：,. 当亲核性原子的位阻变大时，亲核性大大下降，而碱性 稍有增加。,碱性：t-BuO- EtO-;,亲核性：t-BuO- EtO-,亲核性,iii 负电荷的离域使碱性大大下降；相对而言，亲核性则只是部分下降,iv. 非质子极性溶剂可以溶解阴离子，因此化合物的碱性和亲核性都会增加，但亲核性增加得更多。,亲核性,非亲核
7、性碱,Meiers Rule,离去基团,离去基团,注意：离去基团的PKb一般是可以反映离去基团的离去能力的，但个别是例外的，如：RCONR2可在强碱水溶液中水解。 -NR2的PKb为35，根据规则此基团的离去能力弱，但是它真正的离去基团是HNR2，PKb为10.所以此化合物具有强的亲电性。,C=C键既可以是亲核性的也可以是亲电性的，它的性质取决于所连的官能团的性质。一般来说，C=C键连有亲核性官能团如RO，R2N，CH2MgBr时，这个烯烃或芳香化合物是亲核性的；C=C键连有亲电性官能团如COR, CO2R，CN，NO2，CH2X时，这个烯烃或芳香化合物是亲电性的。,独特的C=C键（变色龙）,
8、在此要注意两条规则： .在吸电子基团的位的C原子上具有亲电性。不是位上的C原子。如：,.不要把正电荷与亲电性混淆,亲电性的原子是C原子，不是O原子。,CH2-OCH3,CH2=OCH3,+,+,Me2N=CH2,+,Me2N-CH2,+,独特的C=C键（变色龙）,酸性条件和碱性条件：pKa值,碱性条件下的反应机理：,酸性条件和碱性条件：pKa值,酸性条件下的反应机理：,酸性条件和碱性条件：pKa值,酸性条件和碱性条件：pKa值,第三章 碱性条件下的极性反应,C(sp3)-X键的取代反应,C(sp3)-X键的消除反应,SN2反应机理的亲核取代反应,SN2 和SN2反应机理的亲核取代反应,区分SN
9、2与SN2反应机制的关键在与，化学式中的双键的位置有没有发生变化， SN2反应机制双键的位置不发生变化。,杂原子的SN2反应机理,SN2反应机理中的特例,消除反应中的E2反应机理,E2反应机理的立体化学,E2反应机理的立体化学,C(sp2)-X的E2消除反应机理,练习,消除反应中的E2 反应机理,E2消除反应机理,消除反应中的E1cb反应机理,E1cb反应机理 （特点：两步完成，第一步是碱进攻酸性的H原子，形成碳负离子。第二步是离去基团 离去，形成新的键。 ）,（H原子的酸性很强，而且离去基团的离去性很弱时发生）,消除反应中的E1cb反应机理,消除反应或取代反应的预测,在C(sp3)-X化合物
10、的反应中，以消除反应或取代反应进行主要取决于两个最主要因素：第一，亲核试剂的亲核性的强弱和含有孤对电子的化合物的碱性的强弱。第二，反应底物是否Me、Bn或是伯碳，仲碳，叔碳卤代烷烃。,亲核性和碱性,1. 亲核性强，碱性弱的基团, 如：Br-, I-, R2S, RS, R3P, CN-, 丙二酸酯负离子等基团。,2. 亲核性强，碱性强的基团，如：RO-, R2N-, RCC-, Cl-。,3. 亲核性弱，碱性强的基团，如：t-BuO, i-Pr2NLi (LDA), (Me3Si)2NK (KHMDS), i-Pr2NEt，DBU, DBN, TMG.,亲核加成反应,羰基化合物上的加成反应 羰
11、基化合物有两个主要的共振结构式，R2C=O R2C+-O-, 从第二个共振结构式中，可以看出碳原子带有正电性，很容易发生羰基上亲核加成反应。 羰基化合物的位上的氢有一定的弱酸性，在碱性条件下可被夺去，形成碳负离子。O=CR-CR2 -O-CR=CR2 碳负离子是一个很好的亲核试剂。,碱进攻酸性的-氢,亲核试剂进攻缺电子的碳,酸和亲电试剂进攻富电子的氧,羰基化合物的热力学稳定性与共振结构式R2C+-O-的稳定性有直接的关系，羰基化合物的热力学稳定性顺序： RCOCl RCO2COR RCHO R2CO RCO2R RCONR2 ROCO2R ROCONR2 R2NCONR2 RCO2-。,羰基化
12、合物的热力学稳定性顺序,羰基上的加成反应,（CeCl3能促进羰基上的加成反应）,羰基加成反应的立体化学,羰基化合物与含氮亲核试剂的加成反应,醛、酮与可以与胺发生加成反应，也可以和胺的衍生物（羟氨、肼、苯肼）发生反应。与一级胺反应，氮上还有氢，加成物失去一份子水，变为亚胺称为西佛碱。亚胺在稀酸中水解，可得回原来的羰基化合物及其胺，因此可以用来保护羰基化合物。反应过程如下：,二级胺与羰基化合物反应，可以生成烯胺。反应历程如下：,二级胺与羰基化合物反应,一分子醛或酮，在碱的作用下，形成碳负离子，此碳负离子与另一分子醛或酮的羰基发生亲核加成反应。 反应历程如下：,羟醛缩合反应（Aldol reacti
13、on）,羟醛缩合反应（Aldol reaction）,Aldol reaction的立体化学,Aldol reaction的立体化学,Retro-aldol 反应,Knoevenagel 缩合反应,（E1cb消除）,Knoevenagel 缩合反应,共轭加成反应,Michael 加成反应,Robinson annulation,Robinson annulation,第一步（ Michael 加成反应）,Robinson annulation,第二步（ Aldol 加成反应）,Robinson annulation,第三步（ 脱水反应）,思考题,C(sp2）-X上的亲核取代反应,羰基碳上的取代
14、反应 许多羰基化合物（如：酯、酰氯、酰胺、酸酐）里，羰基连有离去基团，羰基碳上带有一定的正电性，有利于亲核试剂的进攻，发生亲核取代反应。是加成-消除反应机理，不是SN2反应机理。,酯与胺反应生成酰胺,羰基化合物在进行亲核取代反应中除了会发生加成-消除反应机理之外，酰氯和酸酐还可以和醇进行消除-加成的反应机理的取代反应。 反应实例：,加成-消除反应机理：,酰氯和醇的酯化反应,消除-加成反应机理：没有氢的羰基化合物不能进行此反应机理。,酰氯和醇的酯化反应,加成-消除反应的催化剂,（I- 也有类似作用）,Claisen 缩合反应,酯在碱的催化下缩合为-酮酯。,逆Claisen缩合反应,格式试剂、金属负氢试剂对酯基的加成反应,格式试剂对酰胺的加成反应,-不饱和羰基化合物的烯基碳上的取代反应,，-不饱和羰基化合物上的碳上带有离去基团时，此碳上可以发生加成消除反应。,（反应性与酰氯相当）,带有强吸电子基团的芳基环上的取代反应,当苯环上带有强吸电子基团时，芳基碳上也可以发生加成消除反应。,烯基和芳基碳上的取代反应,消除加成反应机理：,金属插入反应,卤代烯烃和卤代芳烃可以与金属（Zn、Mg、Li）发生插入反应，从C-X生成C-Metal。反应活性顺序：IBrCl,反应实例：,反应机理：,金属插入反应,
