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1、 精细有机合成的理论与技术基础精细有机合成的理论与技术基础第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 一、有机反应中的电子效应与空间效应一、有机反应中的电子效应与空间效应 1.电子效应电子效应电子效应可用来讨论分子中原子间的相互影响以及原子间电子云分布的变化。电子效应又可分为诱导效应和共轭效应。（1）诱导效应 在有机分子中相互连接的不同原子间，由于原子各自的电负性不同而引起的连接键内电子云偏移的现象，以及原子或分子受外电场作用而引起的电子云转移的现象称作诱导效应，用I表示。根据作用特点，诱导效应可分为静态诱导效应和动态诱导效应。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识
2、 静态诱导效应Is。由于分子内成键原子的电负性不同所引起的，电子云沿键链（包括键和键）按一定方向移动的效应，或者说键的极性通过键链依次诱导传递的效应。这是化合物分子内固有的性质，被称为静态诱导效应，用Is表示。诱导效应的方向是通常以CH键作为基准的，比氢电负性大的原子或原子团具有较大的吸电性，称吸电子基，由此引起的静态诱导效应称为吸电静态诱导效应，通常以Is表示；比氢电负性小的原子或原子团具有较大的供电性，称给电子基，由此引起的静态诱导效应称为供电静态诱导效应，通常以+Is表示。其一般的表示方法如下（键内的箭头表示电子云的偏移方向）：第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识诱导效
3、应沿键链的传递是以静电诱导的方式进行的，只涉及电子云分布状况的改变和键的极性的改变，一般不引起整个电荷的转移、价态的变化。如：由于氯原子吸电诱导效应的依次传递，促进了质子的离解，加强了酸性，而甲基则由于供电诱导效应的依次诱导传递影响，阻碍了质子的离解，减弱了酸性。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识在键链中通过静电诱导传递的诱导效应受屏蔽效应的影响是明显的，诱导效应的强弱是与距离有关的，随着距离的增加，由近而远依次减弱，愈远效应愈弱，而且变化非常迅速，一般经过三个原子以后诱导效应已经很弱，相隔五个原子以上则基本观察不到诱导效应的影响。诱导效应不仅可以沿键链传递，同样也可以通过
4、键传递，而且由于键电子云流动性较大，因此不饱和键能更有效地传递这种原子之间的相互影响。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识动态诱导效应。在化学反应中，当进攻试剂接近底物时，因外界电场的影响，也会使共价键上电子云分布发生改变，键的极性发生变化，这被称为动态诱导效应，也称可极化性，用Id表示。发生动态导效应时，外电场的方向将决定键内电子云偏离方向。如果Id和Is的作用方向一致时，将有助于化学反应的进行。在两者的作用方向不一致时，Id往往起主导作用。诱导效应的相对强度。对于静态诱导效应，其强度取决于原子或基团的电负性。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 （a）同
5、周期的元素中，其电负性和Is随族数的增大而递增，但+Is则相反。如：Is：FOHNH2CH3 （b）同族元素中，其电负性和Is随周期数增大而递减，但+Is则相反。如：Is：FClBrI （c）同种中心原子上，带有正电荷的比不带正电荷的-Is要强；带有负电荷的比同类不带负电荷的+Is要强。例如：Is：+NR3NR2 +Is：OOR （d）中心原子相同而不饱和程度不同时，则随着不饱和程度的增大，Is增强。Is：=OOR；N=NRNR2 当然这些诱导效应强弱次序的比较是以官能团与相同原子相连接为基础的，否则无比较意义。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识一些常见取代基的吸电子能力、
6、供电子能力强弱的次序如下：Is：+NR3+NH3NO2SO2RCNCOOHFClBrIOArCOORORCOROHCCRC6H5CHCH2H+Is：OCO2C(CH3)3CH(CH3)2CH2CH3CH3H对于动态诱导效应，其强度与施加影响的原子或基团的性质有关，也与受影响的键内电子云可极化性有关。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识（a）在同族或同周期元素中，元素的电负性越小，其电子云受核的约束也相应减弱，可极化性就越强，即Id增大，反应活性增大。如：Id：IBrClFCR3NR2ORF（b）原子的富电荷性将增加基可极化的倾向。Id：OORO+R2（c）电子云的流动性越强，
7、其可极化倾向也大。一般来说，不饱和化合物的不饱和程度大，其Id也大。Id：C6H5CHCH2CH2CH3第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识（2）共轭效应共轭效应。在单双键交替排列的体系中，或具有未共用电子对的原子与双键直接相连的体系中，p轨道与轨道或轨道与轨道之间存在着相互的作用和影响。电子云不再定域在成键原子之间，而是围绕整个分子形成了整体的分子轨道。每个成键电子不仅受到成键原子的原子核的作用，而且也受分子中其他原子核的作用，因而分子能量降低，体系趋于稳定。这种现象被称为电子的离域，这种键称为离域键，由此而产生的额外的稳定能被称为离域能（或叫共轭能）。含有这样一些离域键的
8、体系通称为共轭体系，共轭体系中原子之间的相互影响的电子效应就叫共轭效应。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 1,3-丁二烯在静态时的共轭效应，由于电子离域的结果，单键不再是一般的CC单键，而表现为键长的平均化趋势，即在C2和C3间也有一定程度的p轨道交盖。如果共轭键原子的电负性不同时，则共轭效应也表现为极性效应，如在丙烯腈中，电子云定向移动呈现正负偶极交替的现象。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 因此共轭效应也是分子中原子之间相互影响的电子效应。与诱导效应不同的是，它起因于电子的离域，而不仅是极性或极化的效应。它不像诱导效应那样可以存在于一切键上，而只
9、存在于共轭体系之中；共轭效应的传递方式不靠诱导传递而愈远愈弱，而是靠电子离域传递的，对距离的影响是不明显的，而且共轭链愈长，电子离域就愈充分，体系的能量也就愈低，系统也就愈稳定，键长的平均化趋势就愈大。例如：苯分子是一个闭合的共轭体系，电子高度离域的结果，使得电子云分布呈平均化，苯分子根本不存在单、双键的区别，苯环为正六边形，CCC键角为120，CC键长均为0.139nm。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 共轭效应也分为静态（以Cs表示）和动态（以Cd表示）两种类型，其中又可细分为给电子效应的正共轭效应（+Cs，+Cd）和吸电子效应的负共轭效应（Cs，Cd）；静态共轭效应
10、是共轭体系内在的、永久性的性质，而动态共轭效应则是由外电场作用所引起，仅在分子进行化学反应时才表现出来的一种暂时的现象。例如：1,3-丁二烯在基态时由于存在Cs，表现出体系能量降低，电子离域、键长趋于平均化。当其与HCl发生加成反应时，由于质子外电场的影响，丁二烯内部发生Cd效应，分子上电子云沿着共轭链发生转移，出现各碳原子被极化所带部分电荷正负交替分布的情况，这是动态共轭效应（Cd）所致。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识在反应中生成的上述活性中间体正碳离子，由于结构上具有烯丙基型正碳离子的p-共轭离域而稳定，并产生了1,2-加成和1,4-加成两种产物。静态共轭效应可以促
11、进也可以阻碍反应的进行，而动态共轭效应只能存在于反应过程中，有利于反应进行时才能发生，因此，动态共轭效应只会促进反应的进行。与诱导效应类似，动态因素在反应过程中，往往是起主导、决定作用的。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识共轭体系。共轭体系中以p-共轭、-共轭最为常见。（a）-共轭体系。由单键双键交替排列组成的共轭体系是由轨道与轨道电子离域的体系称为-共轭体系。不只双键，其他键如叁键也可组成-共轭体系，如：（b）p-共轭体系。具有处于p轨道的未共用电子对的原子与键直接相连的体系，称为p-共轭体系，如：第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识正是因为p-共轭效应
12、的结果，氯乙烯键长有平均化的趋势，而且在与不对称亲电试剂的加成反应中也符合马尔可夫尼柯夫规则。羧酸为什么具有酸性？苯胺为什么比脂肪胺碱性弱？酰胺为什么碱性更弱？苯酚为什么与醇明显不同？这些都起因于p-共轭效应的影响。另外，还有一些如烯丙基型正离子或自由基等也是p-共轭，不同的是体系是缺电子或含有独电子的p-共轭。烯丙基型正离子、自由基比较稳定，是p-共轭效应分散了正电荷或独电子性的结果。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识共轭效应的相对强度。共轭效应的强弱与组成共轭体系的原子性质、价键状况以及空间位阻等因素有关。静态共轭效应（Cs）和动态共轭效应（Cd）有相同的传递方式，它们
13、的强弱比较次序是一致的。（a）同族元素与碳原子形成p-共轭时，随元素的原子序数增加，正共轭效应+C减少。而同族元素与碳原子形成-共轭时，随元素的原子序数增加，其负共轭效应C也变大。+C：FClBrI （b）同周期元素与碳原子形成p-共轭时，+C效应随原子序数的增加而变小；与碳原子形成-共轭时，C效应随原子序数的增加而变大。+C：NR2ORF（c）带正电荷的取代基具有相对更强的C效应，带负电荷的取代基具有相对更强的+C效应：+C：OORO+R2 第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识（3）超共轭效应 单键与重键以及单键与单键之间也存在着电子离域的现象，即出现-共轭和-共轭，一般被
14、称为超共轭效应。例如丙烯分子中，甲基上的CH键可与不饱和体系发生共轭，使键和键间的电子云发生离域，形成-键共轭体系，致使丙烯中甲基上的氢原子比丙烷中的甲基氢原子活泼得多，丙烯分子中的C2C3键（0.150nm）也比一般的CC键（0.154nm）略短一些。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 CH键的电子云也可离域到相邻的空p-轨道或仅有单个电子的p-轨道上，形成-p超共轭效应，使电荷分散，体系稳定性增加。例如：超共轭效应多数是给电子性的。它可使分子内能降低，稳定性增加。但与普通的共轭效应相比，其影响较弱。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 2空间效应空间效
15、应空间效应是由分子中各原子或基团的空间适配性，或反应分子间的各原子或基团的空间适配性所引起的一种形体效应，其强弱取决于相关原子或基团的大小和形状。最普通的空间效应是所谓的空间位阻，一般是指体积庞大的取代基直接影响化合物反应活性部位的显露，阻碍反应试剂对反应中心的有效进攻；也可以是指进攻试剂的庞大体积影响其有效地进入反应位置。例如，对烷基苯进行一硝化反应时，随着烷基基团的增大，硝基进入取代基邻位的空间位阻也增大，从而使邻位产物的生成量下降，而对位产物的生成量上升，见表2-1。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识 同样，在向甲苯分子中引入甲基、乙基、异丙基和叔丁基时，随着引入基团
16、（进攻试剂）体积的增大，进入甲基邻位的空间位阻也增大，所以邻、对位产物比例发生变化，见表2-2。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识又如，卤代烷与胺类物质进行N-烷化反应时，一般不用卤代叔烷作烷化剂，这是因为卤代叔烷的空间位阻大。在反应条件下，卤代叔烷的反应中心不能有效地作用于氨基，相反，自身却容易发生消除反应，产生烯烃副产物。在分子内部，各原子之间也有空间适配性问题。例如，p共轭体系中的各原子其p轨道必须是平行的或很接近于平行，这样才能通过轨道发生有效的电子云离域。如果这一平行状态受到阻碍，则电子云的离域就受到抑制。例如N,N二甲基苯胺具有p共轭结构，苯环可有效地进攻重氮鎓阳离子PhN+2，产生偶联在氮的对位产物。第一节第一节 精细有机合成基础知识精细有机合成基础知识但以N,N-二甲基苯胺的2,6-二甲基衍生物 为原料，在相同的条件下不能得到类似的对位偶联产物。这是因为连接在取代基N(CH3)2邻位的两个甲基在空间上对氮原子上的p-轨道产生干扰，使其不能与芳环上的p-轨道相平行，从而破坏了p-共轭体系，电荷不发生如同在N,N-二甲基苯胺中那样的迁移。第一节第一节 精
